[논문]석탄 바닥재로 제조된 유리의 결정화 거동 분석

장석주; 강승구

doi:10.6111/jkcgct.2010.20.1.058

석탄 바닥재로 제조된 유리의 결정화 거동 분석
The crystallization behavior of glass made from coal bottom ash 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.20 no.1, 2010년, pp.58 - 63

초록
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화력 발전소에서 발생하는 석탄 바닥재에 $Na_2O$와 $Li_2O$가 첨가된 결정화 유리를 제조하고, 비등온 열분석법을 이용하여 결정성장 거동을 분석하였다. 온도에 따른 결정화 분율 및 결정화 속도 변화를 계산한 결과, 결정화가 50% 진행된 온도는 DTA 상의 결정 발열피크 $T_p$ 보다 약간 높게 나타났으며, 결정화가 가장 빠르게 진행되는 온도는 $T_p$와 거의 일치함을 알 수 있었다. Kissinger 식을 이용하여 결정화 활성화 에너지(262 kJ/mol), Avrami 상수 (1.7) 그리고 진동수 ($5.7{\times}10^{16}/s$)를 계산하였으며, 이로부터 nepheline 결정 성장은 주로 1~2 차원적 표면 결정화 경향을 보이지만, 동시에 내부 결정화도 어느 정도 나타날 것으로 예측되었다. 실제 미세구조 관찰에서 수지(dendrite)상의 표면 결정화가 상당히 일어났고 동시에 낮은 분율의 내부 결정도 생성된 것이 확인되어, Kissinger식에 의해 예측된 결과가 본 연구에서 제조된 결정화 유리의 거동과 일치함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The glass-ceramics made from the mixture of coal bottom ash, produced from a thermal power plant mixed with $Na_2O$ and $Li_2O$ was fabricated and their crystallization behavior was studied using a non-isothermal analyzing method. The temperature for 50% crystallization was higher than the exothermic peak temperature $T_p$ at DTA curve and the quickest crystallization temperature was much the same as $T_p$ as identified from the relationships of crystallized fraction and crystallization rate with temperature. By using Kissinger equation describing a crystallization behavior, the activation energy (262 kJ/mol), the Avrami constant (1.7) and the frequency ($5.7{\times}10^{16}/s$) for crystallization were calculated from which the nepheline crystal could be expected as showing an 1~2-dimensional surface crystallization behavior mainly with some bulk crystallization tendency at the same time. The actual observation of microstructure using SEM showed the considerable amount of surface crystals of dendrite and the bulk crystals with low fraction, so the prediction by the Kissinger equation was in accord with the crystallization behavior of glass-ceramics fabricated in this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

평가하고자 한다. 또한 Kissinger 등이 제안한 결정화 식을 이용하여 결정화 거동을 예측한 뒤, 실제 미세구조 관찰 결과와 일치하는지 확인함으로써 석탄 바닥재를 결정화 유리 제품으로의 재활용하는데 일조하고자 한다.
본 연구에서는 석탄 바닥재에 적절한 수식제를 첨가하여 유리를 얻은 후, 이를 다시 열처리하여 결정화 유리를 제조하고, 비등 온 열 분석법을 이용하여 결정성장 거동을 평가하고자 한다. 또한 Kissinger 등이 제안한 결정화 식을 이용하여 결정화 거동을 예측한 뒤, 실제 미세구조 관찰 결과와 일치하는지 확인함으로써 석탄 바닥재를 결정화 유리 제품으로의 재활용하는데 일조하고자 한다.

제안 방법

이때승온 속도는 5~20K . miL로 하였고, 산소 분위기에서 293~1550 K의 온도 범위에 걸쳐 분석하였다.
결정화 거동의 동역학적 특성 분석은 유리 시편을 45 μm 이하로 분쇄한 뒤 백금 도가니에 넣어 DTA(STA 409 C/CD, Netzsch Co.) 를 이용하여 실시하였다. 이때승온 속도는 5~20K .
높은 융점을 갖는 석탄 바닥재에 N%。와 LiQ를 수식 제로 첨가하여 비교적 낮은 온도에서 용융하여 비정질 상태의 유리롤 제작한 뒤, 열처리를 통한 결정화 유리 시편을 제조하였다. XRD 분석으로 nepheline 결정상 이주상이고 약간의 珏2&0도 존재하는 결정화 유리가 제작되었음을 알 수 있었다.
실시하였다. 하소처리 된 바닥재 80 wt%, 수식제로 NaQ와 LiQ를각각 10 wt% 씩 첨가하여 유리 및 결정화 유리를 제조하였다. 하소 처리된 바닥재와 배합된 유리의 조성을 Table 1에 나타내었다.

대상 데이터

연구에 사용된 바닥재는 대한민국의 4Y, 화력발전소에서 발생한 것으로 바닥재에 포함된 미연탄소의 제거를 위하여 1000℃에서 3시간 동안 하소처리를 실시하였다. 하소처리 된 바닥재 80 wt%, 수식제로 NaQ와 LiQ를각각 10 wt% 씩 첨가하여 유리 및 결정화 유리를 제조하였다.

데이터처리

Avrami 상수를 계산해 보았다. ln(- ln(l - x)) vs.

이론/모형

시편의 결정상 분석은 Cu-Ka 선을 이용한 XRD(X-ray Diffractometer, D/MAX-C, Rigaku Co.)를, 미세구조 관잘은 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope; JSM-6500F, JEOL Co.)을 사용하여 수행하였다.
XRD 분석으로 nepheline 결정상 이주상이고 약간의 珏2&0도 존재하는 결정화 유리가 제작되었음을 알 수 있었다. 여러 승온 속도로 분석한 DTA 결과로부터 얻은 값들을 Kissinger 식에 적용하여 결정성장 거동을 예측하였다.

성능/효과

4에 그래프로 나타내었다. (dxVdt)가 최대 값을 갖는 온도, 즉 결정화 속도가 가장 빠른 온도는, 시편을 승온 속도 5, 10 그리고 15k/min로 가열한 경우에 대하여 각각 875, 893 그리고 903 K으로 나타났다. 결정화 속도가 가장 빠른 온도는 Table 2의 발열 피크 온도 Tp와 거의 비슷하며, 이는 L에서 결정화 속도가 가장 빠르다는 것을 보여준다.
제조하였다. XRD 분석으로 nepheline 결정상 이주상이고 약간의 珏2&0도 존재하는 결정화 유리가 제작되었음을 알 수 있었다. 여러 승온 속도로 분석한 DTA 결과로부터 얻은 값들을 Kissinger 식에 적용하여 결정성장 거동을 예측하였다.
확인하였다. 따라서 결정화 거동을 분석하기 위해 사용된 여러 동역학 수식들이 본 조성 계에 적합한 것임을 알 수 있었다. 향후, 본 연구의 조성으로 결정화 유리를 제조할 경우 적절한 핵 형성제를 선택, 첨가하여 내부 결정화를 유도하면, 그 물리, 화학적 특성들이 향상될 것으로 기대된다.
n 값은 결정성장 거동과 관련된 상수로서 통상 1~4 범위에 있으며, 그 값이 낮으면 1차원적 결정화 및 표면 결정화 경향을 보이는 반면, 높으면 3차원적 결정화 및 내부 결정화 경향을 갖는다[10]. 따라서 계산된 Avrami 상수 값으로 부터 nepheline의 결정성장은 1~2차원적인 표면 결정성장이 우세할 것으로 예측된다.
또한 표면 결정과는 달리 내부 결정은 그 분율이 매우 낮은 것을 관찰할 수 있다. 따라서 비등 온 열분석으로부터 예측된 결정 성장 거동은 미세구조와 일치하는 것으로 확인되었다.
통상 진동수는 1010~102° 범위에 있는데, 진동수가 10项에 가까울수록 내부결정화 경향을 보이며 결정화도가 높아진다고 알려져 있다[13]. 본 연구에서 측정된 nepheline 결정상의 진동수는 5.7 x IO'%-'이었으* 진동수의 관점에서 보면 제조된 결정화 유리 시편의 결정화도는 높지 않을 것으로 관측된다.
실제 미세구조 관찰 결과, 1~2차원적 표면 결정화가 우세하게 나타났으며, 동시에 비록 분율은 적었으나 내부에 마이크로미터 이하 크기의 미립 결정들이 생성된 것을 확인하였다. 따라서 결정화 거동을 분석하기 위해 사용된 여러 동역학 수식들이 본 조성 계에 적합한 것임을 알 수 있었다.

후속연구

통상 유리로부터 결정이 생성될 때 필요한 활성화 에너지는 200~400 kJ/ mol 범위에 있는데, 활성화 에너지가 낮을수록 내부 결정화(bulk crystallization) 거동으로, 높을수록 표면 결정화 거동으로 결정이 성장한다고 보고되어 있다. 따라서 본 연구에서 생성되는 nephelinee E 값의 관점에서 내부 결정화 거동을 보일 것으로 예상된다.
따라서 결정화 거동을 분석하기 위해 사용된 여러 동역학 수식들이 본 조성 계에 적합한 것임을 알 수 있었다. 향후, 본 연구의 조성으로 결정화 유리를 제조할 경우 적절한 핵 형성제를 선택, 첨가하여 내부 결정화를 유도하면, 그 물리, 화학적 특성들이 향상될 것으로 기대된다.

참고문헌 (17)

C.T. Kniess, J.C. de Lima, P.B. Prates, N.C. Kuhnen and H.G Riella, "Dilithium dialuminium trisilicate phase obtained using coal bottom ash", J. Non-Cryst. Sol. 353 (2007) 4819.

상세보기
Carlos P. Bergmann, "Sinterability study of ceramic bodies made from a mixture of mineral coal bottom ash and soda-lime glass cullet", Waste Manage. Res. 25 (2007) 77.

상세보기
A. Karamanov, M. Pelino and A. Hreglich, "Sintered glass-ceramics from municipal solid waste-incinerator fly ash-part I; the influence of the heating rate on the sinter crystallization", J. European Ceramic Society 23 (2003) 827.

상세보기
T.W. Cheng, T.M. Ueng, Y.S. Chen and T.P. Chiu, "Production of glass-ceramic from incineration fly ash", Ceramics International 28 (2002) 779.

상세보기
J.M. Rincon, M. Romero and A.R. Boccaccini, "Microstructural characterization of a glass and glass-ceramic obtained from municipal incinerator fly ash", J. Mater. Sci. 34 (1999) 4413.

상세보기
T.W. Cheng, "Effect of additional materials on the properties of glass-ceramic produced from incinerator fly ashes", Chemosphere 56 (2004) 127.

상세보기
W. Holand and G. Beall, "Glass-ceramic Technology", The American Ceramic Society, Ohio, USA (2002).
N.M. Pavlushkin, "Principals of Glass Ceramics Technology", 2nd Ed., Stroiizdat, Moscow (1979).
W.A. Johnson and K.F. Mehl, Trans. Am. lnst. Mining Eng. 135 (1981) 315.
M. Avrami, "Granulation, phase change, and microstructure kinetics of phase change", J. Chem. Phys. 9 (1941) 177.

상세보기
H. Yinnon and D.R. Uhlmann, "Applications of thermoanalytical techniques to the study of crystallization kinetics in glass-forming liquids, part 1: theory", J. Non-Cryst. Solids 54 (1983) 253.

상세보기
H.C. Park, S.H. Lee, B.K. Ryu, M.M. Son and I. Yasui, "Nucleation and crystallization kinetics of $CaO-AI_2O_3-2SiO_2$ in powdered anorthite glass", J. Mater. Sci. 31 (1996) 4249.

상세보기
J. Vazquez, C. Wagner, P. Villares and R. Jimenez-Garay, "A theoretical method for determining the crystallized fraction and kinetic parameters by DSC, using non-isothermal techniques", Acta Mater. 44 (1996) 4807.

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J. Vazquez, C. Wagner, P. Villares and R. JimenezGaray, "Glass transition and crystallization kinetics in $Sb_{0.18}As_{0.34}Se_{0.48}$ glassy alloy by using non-isothermal techniques", J. Non-Cryst. Solids 235-237 (1998) 548.

상세보기
H.E. Kissinger, "Reaction kinetics in differential thermal analysis", Anal. Chem. 29 (1957) 1702.

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J.A. Augis and J.D. Bennett, "Calculation of the Avramic parameter from heterogeneous solid state reactions using a modification of the Kissinger Method", J. Thermal. Anal. 13 (1978) 283.

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T. Ozawa, "Kinetics of non-isothermal crystallization", Polymer 12 (1971) 150.

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