[논문]광촉매 시멘트 콘크리트 연구동향 및 활용방안

정진훈; 김상호; 이강훈

광촉매 시멘트 콘크리트 연구동향 및 활용방안 원문보기

정진훈 (인하대학교 토목공학과) , 김상호 (STX건설(주) 기술영업실) , 이강훈 (인하대학교 토목공학과)

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문제 정의

질소산화물 제거 성능에 대한 실험은 국내외의 여러 가지 방법 중 선택하여 실시하도록 한다. 본 기사에서는 국외와 국내의 실험방법을 각각 1가지씩 소개하고자 한다.
하지만 도로 포장용 시멘트 콘크리트에 광촉매 물질을 사용한 사례는 없으며 관련 연구 또한 미비한 것이 사실이다. 본 기사에서는 기존 연구 결과를 바탕으로 도로 포장에 광촉매 물질을 적용하기 위한 실험 방안을 수립하여 보았다. 향후 관련된 연구를 수행하여 문제점을 충분히 보완한다면 도로 포장용으로 사용될 수 있으리라 판단된다.
본 기사에서는 이러한 친환경적 재료인 이산화티탄을 사용한 시멘트 콘크리트의 연구 동향과 도로포장에의 적용방안을 제시해 보고자 한다.

제안 방법

시편 표면의 이산화티탄 마모에 대한 저항 성능을 평가하기 위하여 가속하중실험 및 회전마모실험을 실시하여 질소산화물 제거 성능 및 이산화티탄 손실률을 파악한다. 가속하중실험은 LWT(Loaded-Wheel Tester)를 사용하여 코팅된 시편 표면에 하중을 재하하고 마모를 모사하는 것이다. 회전마모실험의 경우 ASTM C944에 정의된 대로 200rpm의 회전 능력을 가진 장치로 코팅된 시편 표면의 마모를 모사하여 수행된다.
질소산화물 가스가 들어있는 별도의 가스백을 실리콘 튜브로 시편이 들어있는 가스백과 연결하여 질소산화물을 시편이 있는 가스백 안으로 투압하고 실온에서 30분 이상 방치한다. 가스백 안의 초기 질소산화물 농도를 측정하고 가스백을 챔버에 넣은 후 실온에서 자외선에 노출시키면서 1시간 30분 간격으로 검지관으로 질소산화물 농도를 측정하여 질소산화물 제거 성능을 확인한다.
열처리 방법으로 300℃, 400℃, 500℃, 600℃의 환경에서 실시하였으며 도가니에서 광촉매 이산화티탄과 증류수를 1:1의 비율로 섞어 완전히 용해시킨 다음 전기로에 넣고 1시간 동안 가열하였다. 가열이 완료된 후 전기로에서 꺼내어 자연 상온상태에서 2시간 동안 식힌 후 굳은 덩어리를 잘게 부수어 100㎛의 체로 치는 방법으로 이산화티탄 가루를 제조하였다. 국내에 알려진 한국광촉매협회의 가스백 A 실험을 통하여 이산화티탄 가루의 아세트알데히드 및 산화질소(NO) 가스 제거 성능을 살펴보았다.
가열이 완료된 후 전기로에서 꺼내어 자연 상온상태에서 2시간 동안 식힌 후 굳은 덩어리를 잘게 부수어 100㎛의 체로 치는 방법으로 이산화티탄 가루를 제조하였다. 국내에 알려진 한국광촉매협회의 가스백 A 실험을 통하여 이산화티탄 가루의 아세트알데히드 및 산화질소(NO) 가스 제거 성능을 살펴보았다.
실험절차는 그림 10와 같다. 먼저 시편을 제작하고 평가용 가스백의 한 쪽 면을 절단하여 시편을 넣은 후 가능한 가스백 안의 공기를 배기시키고 접착테이프 등을 이용하여 밀봉한다. 질소산화물 가스가 들어있는 별도의 가스백을 실리콘 튜브로 시편이 들어있는 가스백과 연결하여 질소산화물을 시편이 있는 가스백 안으로 투압하고 실온에서 30분 이상 방치한다.
수열처리로서 150℃, 200℃, 250℃에서 500mL의 스테인리스 비커에 이산화티탄과 증류수를 1:1비율로 혼합하고 수열합성기에서 1시간 동안 수열 합성하였다. 수열합성기 안에는 같은 비율의 물을 채워두었으며, 이때 수열합성기 내부에 발생한 압력은 150℃일 때 5kgf/cm², 200℃일 때 15kgf/cm², 250℃일 때 35kgf/cm²였다.
시편 표면의 이산화티탄 마모에 대한 저항 성능을 평가하기 위하여 가속하중실험 및 회전마모실험을 실시하여 질소산화물 제거 성능 및 이산화티탄 손실률을 파악한다. 가속하중실험은 LWT(Loaded-Wheel Tester)를 사용하여 코팅된 시편 표면에 하중을 재하하고 마모를 모사하는 것이다.
실험에 사용할 광촉매 물질은 위에서 언급한 것과 같이 성능은 다소 떨어지나 경제적인 측면에서 유리한 분말형태의 이산화티탄을 사용하여 기존 연구자들이 제시하고 있는 열처리 방법으로 효율을 높여 사용한다. 실험에 사용되는 공시체의 배합은 표 3과 같이 할 수 있다.
열처리 방법으로 300℃, 400℃, 500℃, 600℃의 환경에서 실시하였으며 도가니에서 광촉매 이산화티탄과 증류수를 1:1의 비율로 섞어 완전히 용해시킨 다음 전기로에 넣고 1시간 동안 가열하였다. 가열이 완료된 후 전기로에서 꺼내어 자연 상온상태에서 2시간 동안 식힌 후 굳은 덩어리를 잘게 부수어 100㎛의 체로 치는 방법으로 이산화티탄 가루를 제조하였다.
수열처리 후에는 90℃에서 건조시키고 굳은 덩어리를 잘게 부순 후 100㎛의 체로 쳐서 이산화티탄 가루를 제조하였다. 열처리의 경우와 마찬가지로 가스백 A 실험을 통해 이산화티탄 가루의 아세트알데히드 및 산화질소 가스 제거 성능을 살펴보았다.
주사전자현미경(SEM)을 사용하여 코팅 막 내부의 미세 구조를 관찰하고 에너지분산분광(EDS)을 통해 이산화티탄이 코팅된 시편 표면의 원소 분석을 실시한다. 이 두 가지 방법에 의하여 마모실험에 의한 이산화티탄 손실율을 판단할 수 있을 것이다.
질소산화물 제거 성능에 대한 실험은 국내외의 여러 가지 방법 중 선택하여 실시하도록 한다. 본 기사에서는 국외와 국내의 실험방법을 각각 1가지씩 소개하고자 한다.
현장에서의 적용성을 파악하기 위해 회전마모실험(Rotary Abrasion) 및 가속하중실험(Accelerated Loading Test)을 실시하여 마모 전과 후의 질소산화물 제거 성능을 비교하고 주사전자현미경 및 에너지 분산분광 분석을 통해 마모 전과 후의 이산화티탄 손실 정도를 파악할 수 있을 것이다(Hui Li 외, 2006).

대상 데이터

공시체의 제작은 휨강도 실험을 위하여 40mm×40mm×160mm 크기로 제작하고 수중양생 후 재령에 따라 실험을 실시한다.
이산화티탄의 농도에 따른 질소산화물 제거 성능 및 강도를 평가하기 위해 이산화티탄의 치환율을 달리 한다. 바인더로는 시멘트를 사용하며 시멘트 모르타르의 혼합은 시멘트와 잔골재를 1분간 건비빔한 후 400℃에서 열처리된 이산화티탄 분말을 투입하여 1분간 혼합한다. 그리고 물을 투입하여 3분간 혼합함으로써 시멘트 모르타르를 제작한다.

성능/효과

그림 5에서 알 수 있듯이 400℃에서 열처리된 이산화티탄 가루가 가장 좋은 가스 제거 효율을 보였으며(1시간 후 아세트알데히드 15%, 산화질소 가스 60%), 무처리한 이산화티탄과 비교했을 때 아세트알데히드는 6%, 산화질소 가스는 10% 가량 더 제거된 것으로 조사되었다.
그림 6은 수열처리 후 아세트알데히드 및 산화질소 가스 감소율을 수열처리 온도에 따라 나타낸 것이다 그림에서 보듯이 250℃에서 수열처리한 이산화티탄의 가스 제거 성능이 가장 우수했으며(1시간 후 아세트알데히 14%, 산화질소 가스 56%), 무처리한 이산화티탄과 비교했을 때 아세트알데히드는 5%, 산화질소 가스는 6% 가량 더 제거된 것으로 나타났다.
실험 결과 그림 7과 같이 열처리 후 수열처리 한 경우가 수열처리 후 열처리한 경우보다 가스 제거 성능이 의미가 없을 정도로 약간 나은 것으로 나타났다. 또한, 무처리, 열처리, 수열처리 실험군과 비교하였을 때에도 그 성능은 눈에 띄게 향상되지는 않았다.
열처리 후 수열처리, 수열처리 후 열처리의 실험온도는 열처리와 수열처리에서 가장 우수한 성능을 보인 400℃와 250℃에서 각각 수행되었다.

후속연구

졸 형태 이산화티탄의 제조과정은 비경제적이며 현재 유통되고 있는 졸 형태의 이산화티탄 역시 가격이 비싸 도로포장용으로 사용하기에는 부적합하다. 따라서 분말형태의 이산화티탄을 고정시킨 후 코팅한 공시체로 대기 중 오염물질(질소산화물, NOx) 제거 성능을 평가하고 물리적 및 역학적 성능을 실험하는 것이 바람직할 것이다.
본 기사에서는 기존 연구 결과를 바탕으로 도로 포장에 광촉매 물질을 적용하기 위한 실험 방안을 수립하여 보았다. 향후 관련된 연구를 수행하여 문제점을 충분히 보완한다면 도로 포장용으로 사용될 수 있으리라 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

콘크리트는 제조 시 많은 자원과 에너지를 소비하며, 환경적 측면에 있어서 부정적인 인식이 존재해 이 문제를 해결하기 위해 어떤 노력을 하고있는가?

가장 대표적인 건설재료인 콘크리트의 경우 각종 건설분야에 폭넓게 사용되고 있으나 제조 시 많은 자원과 에너지를 소비하며, 특히 주 재료인 시멘트의 제조과정에서 이산화탄소를 다량 배출하고 폐기시 주로 매립하기 때문에 환경적 측면에 있어서 부정적인 인식이 존재하는 것이 사실이다. 이를 극복하기 위하여 콘크리트 제조시의 환경 부하량 저감기술, 콘크리트를 이용한 환경 부하량 저감 및 환경 개선 기술, 생태계와의 조화를 꾀하는 에코 콘크리트의 개발 등 다양한 관점에서의 연구 수행 및 대책 수립이 이루어지고 있으며, 이미 선진국에서는 학계뿐만 아니라 관련 업계에서도 체계적이고 조직적으로 콘크리트의 친환경적 특성을 부각시키기 위해 지속적으로 노력하고 있다.

광촉매 물질은 주로 어떤 물질인가?

광촉매 물질은 주로 반도체의 물질이며 그 반응과정을 이해하기 위해서는 에너지 밴드의 개념을 알 필요가 있다. 그림 2는 도체(Conductor), 반도체(Semiconductor), 절연체(Insulator)가 절대온도 0°K에서 나타내는 에너지 밴드이다.

광촉매 물질이 반도체 물질인 경우가 대부분인 이유는 무엇인가?

일반적으로 반도체는 저온에서는 전류가 거의 흐르지 않지만 고온이 됨에 따라 전기 전도도가 증가하여 가전자대의 전자가 전도대로 이동하여 전류가 흐르는 특징을 갖고 있다. 광촉매 물질은 반도체의 밴드 갭에 해당되는 빛 에너지가 존재하는 경우 열 에너지가 존재하는 경우와 마찬가지로 전류를 흐르게 하므로 광촉매 물질은 반도체 물질인 경우가 거의 대부분이다.

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