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문제 정의
- 본 연구는 광미의 적치에 따른 환경문제를 해결하기 위한 것으로 광미를 이용한 지오폴리머 세라믹 제조에 관한 연구를 하였다. 광미는 지오폴리머를 구성하는 3가지 중에서 비활성필러로서 첨가되었으며, 광미의 첨가량 변화에 따른 지오폴리머 소재의 물리적 특성 대하여 연구를 하였다.
제안 방법
- 본 연구는 광미의 적치에 따른 환경문제를 해결하기 위한 것으로 광미를 이용한 지오폴리머 세라믹 제조에 관한 연구를 하였다. 광미는 지오폴리머를 구성하는 3가지 중에서 비활성필러로서 첨가되었으며, 광미의 첨가량 변화에 따른 지오폴리머 소재의 물리적 특성 대하여 연구를 하였다.
- 18로 조정한 것을 사용하였다. 활성화제는 KOH와 NaOH 및 공업용 규산소다를 사용하여 SiO2/M2O (M = K + Na)의 몰비 1.7, pH = 13.5가 되도록 하였다.
- 광미의 첨가량 및 재령에 따른 압축강도를 KS L 4201에 의거하여 측정하였다. 압축강도 측정이 완료된 시편은 알코올에 3일간 침적하여 geopolymerization 반응을 억제 시킨 후 분쇄하여 XRD (X-ray diffractometer; PHILIPS XPERT-PRO)로 결정상을 분석하였다. 미세구조는 주사전자현미경(Scanning Electrion Microscope; LEO 1420 VP)을 이용하여 관찰하였으며, 결합 형태는 FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, Vertex70)을 이용하여 분석하였다.
- 압축강도 측정이 완료된 시편은 알코올에 3일간 침적하여 geopolymerization 반응을 억제 시킨 후 분쇄하여 XRD (X-ray diffractometer; PHILIPS XPERT-PRO)로 결정상을 분석하였다. 미세구조는 주사전자현미경(Scanning Electrion Microscope; LEO 1420 VP)을 이용하여 관찰하였으며, 결합 형태는 FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, Vertex70)을 이용하여 분석하였다. 광미를 이용하여 제조된 지오폴리머 세라믹의 유해성분 용출시험은 폐기물 공정시험법(KSLT)을 사용하였다.
대상 데이터
- 지오폴리머 세라믹의 출발원료는 광미와 고로슬래그, 플라이 애시 및 활성화제로 강알칼리성 용액을 이용하였으며 광미는 강원도 영월지역에 적재되어 있는 것을 사용하였고 원료들의 화학성분 결과를 Table 1에 나타내었다. 고로슬래그와 플라이 애시의 혼합비율 조절을 통하여 SiO2/Al2O3의 몰비가 2.
- 지오폴리머 세라믹의 출발원료는 광미와 고로슬래그, 플라이 애시 및 활성화제로 강알칼리성 용액을 이용하였으며 광미는 강원도 영월지역에 적재되어 있는 것을 사용하였고 원료들의 화학성분 결과를 Table 1에 나타내었다. 고로슬래그와 플라이 애시의 혼합비율 조절을 통하여 SiO2/Al2O3의 몰비가 2.18로 조정한 것을 사용하였다. 활성화제는 KOH와 NaOH 및 공업용 규산소다를 사용하여 SiO2/M2O (M = K + Na)의 몰비 1.
- 지오폴리머 세라믹 제조 조건은 Table 2에 나타내었으며, 일반적인 지오폴리머 세라믹의 제조공정을 이용하였다. 각각의 원료를 조건에 따라서 칭량한 후, 몰탈 혼합기의 바울(5L) 내에서 3분간 60 rpm/min으로 건식 혼합 하였다.
- Table 3에 지오폴리머 세라믹의 중금속 용출시험 결과를 나타내었다. 용출 대상 중금속은 일반적으로 문제가 되고 있는 Cu, Zn, Pb, Cd에 대하여 조사하였다. 그 결과 Cd의 경우, 모든 시편에서 ND로 나타났다.
이론/모형
- 광미의 첨가량 및 재령에 따른 압축강도를 KS L 4201에 의거하여 측정하였다. 압축강도 측정이 완료된 시편은 알코올에 3일간 침적하여 geopolymerization 반응을 억제 시킨 후 분쇄하여 XRD (X-ray diffractometer; PHILIPS XPERT-PRO)로 결정상을 분석하였다.
- 미세구조는 주사전자현미경(Scanning Electrion Microscope; LEO 1420 VP)을 이용하여 관찰하였으며, 결합 형태는 FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, Vertex70)을 이용하여 분석하였다. 광미를 이용하여 제조된 지오폴리머 세라믹의 유해성분 용출시험은 폐기물 공정시험법(KSLT)을 사용하였다.
성능/효과
- 4-6) 지오폴리머 기술은 산업부산물의 재활용이 가능하고,5,7-10) 유해중금속의 고정화가 가능하며,11-13) 나노 금속산화물을 합성할 수 있는 3가지 큰 특징이 있다.14) 중금속 고정화는 중금속 이온이 지오폴리머를 형성하는 실리카나 알루미나 등과 반응하여 불용성화합물을 형성하거나 지오폴리머 기재 내의 양이온 위치에 치환되는 등에 의해서 가능한 것으로 밝혀지고 있다.11-12)
- 광미의 첨가량이 증가 할수록 muscovite와 quartz를 나타내는 9o(2θ), 21o(2θ)부근의 회절피크의 강도 값이 증가하는 것을 확인할 수가 있으며, 광미의 첨가량이 작은 시편은 20~35o(2θ) 부근에서 halo 패턴을 나타내고 있다.
- 18,19) C-S-H 겔상은 고로슬래그와 플라이 애시에 포함된 풍부한 CaO 성분과 활성화제의 SiO2 성분이 반응하여 생성된 것이다. 따라서 XRD 분석결과로 지오폴리머 세라믹은 비정질의 알루미노 실리케이트 겔을 나타내는 20~30o의 halo 패턴과 결정질의 calcite임을 알 수가 있었다.10-12)
- 4는 광미 첨가량에 따른 지오폴리머 세라믹의 28일 재령 시편의 미세구조를 나타낸 것이다. 광미의 첨가량이 낮은 시편일수록 파단면이 치밀한 것을 확인할 수가 있으며, 광미의 첨가량이 높은 시편 일수록 시편 내부에 기공과 크랙 등이 존재하는 것을 알 수가 있다. Fig.
- Fig. 4(a)의 MRGB-2 시편의 경우, 시편 내에 지오폴리머 원료로 사용한 플라이 애시, 고로슬래그, 광미로 예상되는 입자는 존재하지 않았으며, 하나의 거대한 세라믹 덩어리 모양을 하고 있음을 알 수가 있으며, 표면에는 작은 입자들이 다량 존재하고 있는 것을 확인할 수가 있었다. Fig.
- Fig. 4(b)의 MRGB-4 시편은 플라이 애시 입자로 예상되는 구형의 입자 외에 역시 하나의 덩어리화 되어 있는 치밀한 미세구조임을 확인할 수가 있었다. 또한 Fig.
- 18) 지오폴리머 세라믹 내의 물 원자의 구조는 O-H 밴드로 나타나며, 3200 cm−1~3700 cm−1의 영역에서 관찰된 넓은 흡수대가 해당된다.
- 또한 Pb, Cu, Zn의 경우, 대부분 검출되었지만, 용출양은 각각의 지정 폐기물 유해기준치 Pb 3.0 mg/L(지정폐기물 유해물질 함유기준), Cu 1.0 mg/L(지정폐기물 유해물질 함유기준), Zn 3.0 mg/L(해양배출폐기물 기준)이내로 현저히 낮음을 알 수가 있었다.
- 2 MPa 이었으며, 80 wt.%를 첨가한 시편의 압축강도는 64.9 MPa로 가장 높은 압축강도에 46% 수준이었다. 또한 광미를 10~50 wt.
- 또한 광미를 10~50 wt.%의 범위로 첨가한 시편 모두 100 MPa 이상의 압축강도를 발현하였고, 광미의 첨가량이 높을수록 압축강도는 떨어지는 경향을 보였다. 압축강도가 가장 많이 상승된 시편은 30 wt.
- 0 mg/L(해양배출폐기물 기준)이내로 현저히 낮음을 알 수가 있었다. 이러한 결과로 부터 광미를 다량 함유하는 지오폴리머 세라믹 소재의 안전성을 알 수가 있었으며, 제조된 지오폴리머 소재의 물리적 특성을 통하여 다양한 분야로의 확대 가능성을 충분히 제시하는 결과라 생각된다.
- 1. 광미를 비활성필러로 사용하고 고로슬래그와 플라이애시의 혼합물을 활성필러로 사용한 지오폴리머 세라믹의 압축강도는 광미의 첨가량에 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 가장 높은 압축강도는 MRGB-2 시편이 141.2 MPa이었다.
- 2. 광미를 활용하여 제조한 지오폴리머 세라믹의 반응 생성물은 비정질의 알루미노 실리케이트 겔과 calcite 및 C-S-H 상이었으며, 광미의 첨가량이 낮고 압축강도가 높은 시편일수록 halo 패턴을 보이고 있다.
- 3. 지오폴리머 세라믹은 새롭게 생성된 부정형의 입자들이 존재하면서 치밀한 미세구조를 형성하고 있으며, 지오폴리머 세라믹 내에 Si-O와 Al-O의 결합이 중축합에 의해서 사면체의 [SiO4]4−와 [AlO4]5−을 형성하였음을 확인하였다. 또한 중금속 용출시험 결과 지오폴리머 세라믹 내에 중금속이 안정하게 고정화 되었다.
- 지오폴리머 세라믹은 새롭게 생성된 부정형의 입자들이 존재하면서 치밀한 미세구조를 형성하고 있으며, 지오폴리머 세라믹 내에 Si-O와 Al-O의 결합이 중축합에 의해서 사면체의 [SiO4]4−와 [AlO4]5−을 형성하였음을 확인하였다. 또한 중금속 용출시험 결과 지오폴리머 세라믹 내에 중금속이 안정하게 고정화 되었다.
후속연구
- 국내의 휴 · 폐 광산들은 광산 활동 시 불가피하게 산성폐수 유출과 폐석 및 광미 유실 등의 광해를 발생시 켰다. 그 중 폐석과 광미가 많은 양이 적치되어 많은 환경문제를 야기 시키고 있으며,1) 이에 대하여 국가에서 환경오염 방지사업을 시행하여 왔고 향후에도 지속적으로 막대한 비용이 소요될 것으로 전망된다. 최근에는 친환경적인 지오폴리머 (무기결합재) 기술을 활용하여 환경적인 문제를 해결하는 연구가 국내외적으로 진행되고 있다.
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