석탄(石炭) 바닥재와 준설토(浚渫土)를 이용한 다공성(多孔性) 소결체(燒結體)의 제조 및 특성 평가 Preparation and Characterization of Porous Sintered Body Made from Coal Bottom Ash and Dredged soil원문보기
화력발전소에서 배출되는 바닥재와 준설토를 70:30(wt%)로 혼합하고 이를 $6{\pm}2mm$ 크기 구형으로 성형 및 로터리 킬른에서 $1125^{\circ}C$/15 min으로 소성한 뒤, 그 물리적 특성을 평가함으로써 오염 토양을 복원하는데 사용되는 흡착제로의 적용 가능성을 분석하였다. 제조된 소결체(BD)는 100 ${\mu}m$ 이상의 거대 기공 및 10 ${\mu}m$ 이하의 미세기공을 모두 가지고 있었으며, 비표면적, 기공율 그리고 공극율은 각각 $12.0m^2/g$, 30.1%그리고 38.2%이었다. BD 소결체를 한번 분쇄한 시편(BD-C)은 종횡비$\fallingdotseq$2의 부정형이었으나, 부피비중 및 기공크기 분포는 BD와 비슷한 값을 나타내었다. 한편 BD-C 시편의 비표면적, 기공율 그리고 공극율은 BD에 비해 더 우수한 값을 나타내었는데 이는 내부에 존재하던 폐기공(closed pores)이 분쇄과정에서 개기공(open pores)으로 변환되면서 겉보기 부피가 감소했기 때문이다. 제조된 소결체의 영 전하점(IEP)는 약 pH=5이었고 따라서 미생물을 소결체에 결합시킬 때 반응용액의 최적 pH를 알 수 있었다. 본 연구에서 제조된 소결체는 오염 토양 복원에 사용되는 흡착제로의 적용이 가능하며, 더구나 측정된 데이터를 이용하여 BD와 BD-C를 적절한 비율로 혼합하면 적용 상황에 따라 다른 공극율, 기공율 등의 요구 조건을 최적으로 맞출 수 있을 것으로 기대된다.
화력발전소에서 배출되는 바닥재와 준설토를 70:30(wt%)로 혼합하고 이를 $6{\pm}2mm$ 크기 구형으로 성형 및 로터리 킬른에서 $1125^{\circ}C$/15 min으로 소성한 뒤, 그 물리적 특성을 평가함으로써 오염 토양을 복원하는데 사용되는 흡착제로의 적용 가능성을 분석하였다. 제조된 소결체(BD)는 100 ${\mu}m$ 이상의 거대 기공 및 10 ${\mu}m$ 이하의 미세기공을 모두 가지고 있었으며, 비표면적, 기공율 그리고 공극율은 각각 $12.0m^2/g$, 30.1%그리고 38.2%이었다. BD 소결체를 한번 분쇄한 시편(BD-C)은 종횡비$\fallingdotseq$2의 부정형이었으나, 부피비중 및 기공크기 분포는 BD와 비슷한 값을 나타내었다. 한편 BD-C 시편의 비표면적, 기공율 그리고 공극율은 BD에 비해 더 우수한 값을 나타내었는데 이는 내부에 존재하던 폐기공(closed pores)이 분쇄과정에서 개기공(open pores)으로 변환되면서 겉보기 부피가 감소했기 때문이다. 제조된 소결체의 영 전하점(IEP)는 약 pH=5이었고 따라서 미생물을 소결체에 결합시킬 때 반응용액의 최적 pH를 알 수 있었다. 본 연구에서 제조된 소결체는 오염 토양 복원에 사용되는 흡착제로의 적용이 가능하며, 더구나 측정된 데이터를 이용하여 BD와 BD-C를 적절한 비율로 혼합하면 적용 상황에 따라 다른 공극율, 기공율 등의 요구 조건을 최적으로 맞출 수 있을 것으로 기대된다.
The spheric sintered body with $6{\pm}2mm$ diameter was manufactured in a rotary kiln at $1125^{\circ}C$/15 min using green body formed by pelletizing the batch powder composing of coal bottom ash produced from power plant and dredged soil by 70:30, wt%. And the physical proper...
The spheric sintered body with $6{\pm}2mm$ diameter was manufactured in a rotary kiln at $1125^{\circ}C$/15 min using green body formed by pelletizing the batch powder composing of coal bottom ash produced from power plant and dredged soil by 70:30, wt%. And the physical properties of sintered body (BD) were analyzed to confirm the possibility for applying to an absorbent to restore a contaminated soil. The sintered body had a giant pore above 100 ${\mu}m$ and a fine pore below 10 ${\mu}m$, and bulk density was 1.4. Also its specific surface area, porosity and void proportion were $12.0m^2/g$, 30.1% and 38.2% respectively. The crushed body (BD-C), produced by crushing a BD specimen into an irregular shape with a aspect ratio of about 2, was similar to BD specimen at bulk density and pore size distribution. But it had superior values of specific surface area, porosity and void proportion compared with BD specimen owing to a decreased apparent volume due to conversion of closed pore existed at interior of BD to open pore during a crushing process. The IEP of sintered body occurred at about pH=5, so the optimum pH condition of reacting aqueous solution could be known before bonding a microbe to the sintered body. Hence, the optimum void proportion and porosity of an absorbent can be obtained by appropriate mixing a BD with BD-C from the base data calculated in this study.
The spheric sintered body with $6{\pm}2mm$ diameter was manufactured in a rotary kiln at $1125^{\circ}C$/15 min using green body formed by pelletizing the batch powder composing of coal bottom ash produced from power plant and dredged soil by 70:30, wt%. And the physical properties of sintered body (BD) were analyzed to confirm the possibility for applying to an absorbent to restore a contaminated soil. The sintered body had a giant pore above 100 ${\mu}m$ and a fine pore below 10 ${\mu}m$, and bulk density was 1.4. Also its specific surface area, porosity and void proportion were $12.0m^2/g$, 30.1% and 38.2% respectively. The crushed body (BD-C), produced by crushing a BD specimen into an irregular shape with a aspect ratio of about 2, was similar to BD specimen at bulk density and pore size distribution. But it had superior values of specific surface area, porosity and void proportion compared with BD specimen owing to a decreased apparent volume due to conversion of closed pore existed at interior of BD to open pore during a crushing process. The IEP of sintered body occurred at about pH=5, so the optimum pH condition of reacting aqueous solution could be known before bonding a microbe to the sintered body. Hence, the optimum void proportion and porosity of an absorbent can be obtained by appropriate mixing a BD with BD-C from the base data calculated in this study.
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문제 정의
본 연구에서는 석탄 바닥재를 이용하여 제조된 세라믹 소결체와 이를 분쇄한 시편을 준비하고 각각에 대한 기공률, 공극률, 기공분포, 표면 전하 등의 물성을 평가함으로서 오염토양 정화를 위한 흡착제로의 적용 가능성을 고찰하였다.
제안 방법
각 원료의 화학조성은 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan) 를 이용하여 분석하였다. 원료와 소결체의 결정상 분석과 열적 특성 분석은 XRD (RINT-8100H/PC, Rigaku, Japan) 와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch Co.
제조된 구형 소결체 중 7~8 mm 크기의 일부를 롤러 밀(roller mill)을 이용하여 쇄석 형태로 분쇄하였다. 본 연구에서는 구형으로 제조된 소결체를 BD, 구형 소결체를 분쇄한 쇄석형 소결체를 BD-C로 표기하였다. 시료 명에서 B는 바닥재(boUom ash), D는 준설토(dredged soil) 그리고 C는 분쇄 (crushing)를 뜻한다.
따라서 본 실험에서는 바닥재 :준설토=70:30(wt%)으로 고정하였다. 분쇄된 석탄바닥재와 준설토를 리본(ribbon) 믹서기를 이용하여 최적 배합비인 70:30(wt%)으로 건식 혼합 후, 조립기를 이용하여 지름 6±2mm의 구형 성형체로 제조하였다. 제조된 성형체를 110℃/48hr 조건으로 건조 후, 로타리 킬른(rotaw Idin)에서 1125℃의 온도로 15분간 소성하였다.
석탄 바닥재와 준설토를 7:3으로 혼합하여 제조된 구형 세라믹 소결체와 이를 다시 분쇄하여 얻은 부정형소결체를 비교 분석하였다. 입자의 충진률과 관련이 있는 공극률은 구형 소결체와 부정형 소결체가 각각 38.
소결체의 이미지 관찰 및 미세구조를 분석하기 위하여 Camscope (DCS-105, Sometech vision, Korea)와■ SEM (JSM-6500F, Jeol, Japan)을 사용하였다. 소결체의 표면 전하는 Zeta Potential Analyzer(Photal ELS-8000, Otsuka, J* apan) 이용하여 측정하였다.
소결체의 이미지 관찰 및 미세구조를 분석하기 위하여 Camscope (DCS-105, Sometech vision, Korea)와■ SEM (JSM-6500F, Jeol, Japan)을 사용하였다. 소결체의 표면 전하는 Zeta Potential Analyzer(Photal ELS-8000, Otsuka, J* apan) 이용하여 측정하였다.
이용하여 분석하였다. 원료와 소결체의 결정상 분석과 열적 특성 분석은 XRD (RINT-8100H/PC, Rigaku, Japan) 와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch Co., Germany)를 각각 사용하였다. 소결체의 비표면적 (ASAP2010, Micromeritics, USA)과 기공크기(Pore master, Quantachrome, USA)를 분석하였으며, 비중 및 흡수율 측정은 KS F 2503의 굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험방법'을 이용하였다.
대상 데이터
1은 바닥재, 준설토 그리고 소결체의 결정상을 XRD로 분석한 결과이다. 바닥재의 주 결정상은 Quartz (SiCb)와 Mullite(3Al2O3-2SiO2)S. 이루어져 있다.
세라믹 소결체의 원료는 T시 화력발전소에서 발생되는 석탄바닥재와 준설토를 사용하였다. 각 원료의 입도를 균일하게 제어하기 위해 핀 밀(pin mill)을 이용하여 150um 이하로 분쇄하였다.
바닥재의 Mullite 결정상은 석탄을 열처리 할때 Si。?와 句2。3가 결합되어 형성된 것으로 판단된다. 준설토는 Quartz(SiO2X 주결정상으로 갖고 있으며, 바닥재와 준설토가 7:3으로 혼합되어 제조된 BD 소결체는 Quartz(SiC)2)와 MuHite (3AeOy 2SiC)2)가 주 결정상을 형성하고 있다.
이론/모형
소결체의 공극률 측정은 KS F 2505 골재의 단위용적 질량 및 실적률 시험 방법'을 이용하였다. 소결체의 이미지 관찰 및 미세구조를 분석하기 위하여 Camscope (DCS-105, Sometech vision, Korea)와■ SEM (JSM-6500F, Jeol, Japan)을 사용하였다.
, Germany)를 각각 사용하였다. 소결체의 비표면적 (ASAP2010, Micromeritics, USA)과 기공크기(Pore master, Quantachrome, USA)를 분석하였으며, 비중 및 흡수율 측정은 KS F 2503의 굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험방법'을 이용하였다.
성능/효과
검은색 반점은 바닥재에 포함되었던 미연탄소가 소성 공정 중에 미처 타지 못한 것으로 판단된다. BD-C 시편은 분쇄를 통하여 소결체 껍질부분(shell)과 함께 중심부분 (core)이 함께 노출된 것을 확인할 수 있으며, 내부의 중심 부분의 미세기공이 껍질부분 보다 상대적으로 많은 것을 확인할 수 있다. 이는 소성 시 바닥재와 준설토에 존재하는 미연탄소와 유기물의 연소가 시편 내 다공성의 black core® 형성하는데 기여함을 보여준다.
X측은 기공의 크기를, 오른쪽 Y축은 각 기공의 점유율(%)을 그리고 왼쪽 X축은 작은 기공부터 큰 기공 순으로의 누적 점유율(%)을 나타낸 것이다. BD의 경우 100 Rm 이상의 거대기공이 약 15% 차지하고 있으며, 10gm 이하의 미세기공이 55%로 많이 존재하는 것을 확인할 수 있다. BD-C의 경우 BED와 마찬가지로 100 |im 이상의 거대기공과 10 gm 이하의 미세기공이 각각 20%와 50%로 많이 존재하지만 미세기공의 비율이 감소하고 거대기공의 비율이 증가함을 관찰할 수 있다.
껍질부분이 중심 부분에 비해 더 치밀한 것을 확인할 수 있으며, 거대기공이 거의 존재하지 않는 반면, 중심부분은 10 nm 이하의 미세기공은 물론, 동시에 100|im 이상 되는 거대기공도 관찰되었다. 구형 BD 소결체에 비해 분쇄로 인해 중심부분이 많이 노출된 부정형 BD-C 소결체의 흡수율이 높은 이유가 중심부분의 다공성 구조로 인한 것임을 미세구조 관찰 결과로 확인할 수 있다.
6%로 나타났다. 구형 소결체의 부피 비중과 기공률은 각각 1.4, 30.1%를 나타냈으며, 흡수율과 비 표면적은 21.4%, 과 12.0m2/g을 나타내었다. 부정형 소결체의 부피비중과 기공률은 각각 1.
기공크기 분석결과, 구형 소결체는 100 pm 이상의 거대기공이 약 15% 차지하고 10gm 이하의 미세기공이 55% 존재하였으며, 부정형 소결체의 경우 100 pm 이상의 거대기공과 10gm 이하의 미세기공이 각각 20%와 50% 존재하였다. 기공크기 분석과 SEM을 이용한 미세구조 관찰 결과 거대기공과 미세기공이 공존함을 확인할 수 있어 산화제, 영가철, 미생물 등을 결합시켜 흡착제로 활용 가능성이 있을 것으로 판단된다.
그림 (c)와 (d)는 각각 껍질 부분과 중심 부분을 확대해서 관찰한 결과이다. 껍질부분이 중심 부분에 비해 더 치밀한 것을 확인할 수 있으며, 거대기공이 거의 존재하지 않는 반면, 중심부분은 10 nm 이하의 미세기공은 물론, 동시에 100|im 이상 되는 거대기공도 관찰되었다. 구형 BD 소결체에 비해 분쇄로 인해 중심부분이 많이 노출된 부정형 BD-C 소결체의 흡수율이 높은 이유가 중심부분의 다공성 구조로 인한 것임을 미세구조 관찰 결과로 확인할 수 있다.
기공크기 분석과 SEM을 이용한 미세구조 관찰 결과 거대기공과 미세기공이 공존함을 확인할 수 있어 산화제, 영가철, 미생물 등을 결합시켜 흡착제로 활용 가능성이 있을 것으로 판단된다. 또한 소결체의 pH 변화에 따른 zeta 전위를 측정한 결과 pH= 부근에서 영 전하점(IEP)을 나타내었다. 부정형 소결체의 경우 겉보기 기공률이 42.
4 wt% 존재한다. 또한 준설토에 포함된알카리 산화물(NaR, K2O)과 알카리토류 산화물(MgO, CaO)이 일반 점토에 비해 약 1.5배 정도 존재하는 것으로 확인되었다. 이와 같이 준설토는 A12O3 성분함량이 낮고 1, 2족 산화물 성분을 많이 포함하고 있어 소결 시 융제로 작용할 것으로 예상되며, 또한 약 4%의 작열감량 물질을 포함하고 있어 가스 발생 및 기공 형성에 영향을 줄 것으로 판단된다.
특성을 갖는 것으로 판단된다. 무기질 다공체를 오염 토양 복원을 위해 사용하는 경우 기공률은 최소 40% 되어야 한다고 보고되고 있으며, 5)본 실험결과 부정형 BD-C 소결체의 경우 겉보기 기공률이 약 42.9% 로 기존에 오염 토양 복원을 위한 다공성 흡착제로 적용 가능할 것으로 판단된다. BD와 BD-C의 BET 값은 각각 12.
0m2/g을 나타내었다. 부정형 소결체의 부피비중과 기공률은 각각 1.3, 42.9%를 나타냈으며, 흡수율과 비표면적은 33.4%와 13.2m2/g를 나타내었다. 이러한 특성 변화는 소결체를 분쇄할 때, 내부에 숨겨져 있던 폐기동들이 개기공으로 변화되기 때문이다.
각 원료의 입도를 균일하게 제어하기 위해 핀 밀(pin mill)을 이용하여 150um 이하로 분쇄하였다. 석탄바닥재의 재활용량을 최대한으로 높이기 위해, 바닥재를 40-80 wt% 범위로 수행한 예비 실험에서, 바닥재가 70 wt% 이상 첨가되면 가소성이 떨어져 제품의 성형이 불가능하였으며, 성형이 가능한 시험편 중 바닥재가 70% 포함된 것이 부피비중, 흡수율, 공극률 특성이 가장 우수한 결과를 보였다. 따라서 본 실험에서는 바닥재 :준설토=70:30(wt%)으로 고정하였다.
조립기로 제조된 BD 소결체는 가로/세로 비 (aspect ratio)가 약 1인 구형의 형태를 나타내며, 분쇄된 BD-C 소결체의 경우 가로/세로 비가 약 2인 부정형을 나타내었다. 입자의 충진률과 관련이 있는 공극률은 BD 및 BD-C 소결체가 각각 38.2% 및 33.6%로 나타났다. 이는 파쇄된 소결체의 크기가 더 작고 부정형이어서 구형 소결체보다 충진 효율이 좀 더 높았기 때문에, 충진률과 반비례 관계에 있는 공극률이 낮게 나타난 것이다.
비교 분석하였다. 입자의 충진률과 관련이 있는 공극률은 구형 소결체와 부정형 소결체가 각각 38.2%및 33.6%로 나타났다. 구형 소결체의 부피 비중과 기공률은 각각 1.
그림 (b)는 소결체를 분쇄하여 내부의 파괴단면을 관찰한 사진이다. 파괴 단면의 중앙부분을 중심으로 미세기공이 많이 존재하는 껍질부분(shell)과 거대기공이 많이 존재하는 중심부분 (core)으로 확연히 구분됨을 관찰할 수 있었다. 이는 소결 시 껍질부분에서는 형성된 액상(liquid phase)에 의해 기공감소 및 치밀화가 진행되고, 동시에 중심부분 (core)에서는 유기물 및 탄소로 인한 가스가 발생하여 다공성 구조가 형성된 것이기 때문이다.
후속연구
50% 존재하였다. 기공크기 분석과 SEM을 이용한 미세구조 관찰 결과 거대기공과 미세기공이 공존함을 확인할 수 있어 산화제, 영가철, 미생물 등을 결합시켜 흡착제로 활용 가능성이 있을 것으로 판단된다. 또한 소결체의 pH 변화에 따른 zeta 전위를 측정한 결과 pH= 부근에서 영 전하점(IEP)을 나타내었다.
9%로 현재 오염토양복원에 사용되는 홉착제에 견줄만 한 값을 나타내었다. 더불어, 구형 소결체와 부정형 소결체의 적절한 배합을 통해 기공률과 공극률 제어가 동시에 가능한 흡착제 개발 가능성을 확인하였다.
이는 분쇄공정으로 인한 구형 BD 소결체의 치밀한 껍질 부분의 상대적인 감소와 함께 다공성 구조를 갖는 중심 부분의 상대적인 증가로 인한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제조된 소결체는 미세한 기공과 거대기공을 모두 갖고 있고 또한 기공률 및 공극률이 우수하여 다공성 무기 흡착제로 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
1 wt%로 비교적 높게 나타났다. 바닥재에 포함된 미연 탄소는 소성 공정에서 CO2 가스를 발생시켜 다공성 구조의 소결체를 형성하는데 기여할 것으로 판단된다. 준설토(dredged soil)의 경우 SQ와 A12O37]- 각각 70.
세라믹 소결체를 오염토양 복원을 위한 무기질 흡착제로 활용 시, 요구되는 기공률, 공극률, 흡수율 특성들의 조건에 따라 구형 BD 소결체와 부정형 BD-C 소결체를 적절히 혼합하여 사용하면 효과적인 제어가 가능할 것으로 기대된다.
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