[국내논문]고려시대 선체출토 석탄의 재료학적 특성 및 국산 석탄과의 비교 연구 Comparison Study for Domestic Coal and Material Characteristics of Coal from the Shipwreck of Koryo Dynasty원문보기
태안군 마도 해역 해저에서 인양된 마도 1호선의 선체 내 외부에서 출토된 석탄의 지구화학적 및 광학적, 광물학적 특성을 분석하였다. 연구 결과, 석탄의 비중은 $1.28g/cm^3$로 약 10%의 광물질 함유 상태를 고려하면 순수한 석탄만의 비중은 $1.15g/cm^3$ 정도이며, 갈탄과 유연탄 사이의 범위 해당된다. X-선 회절분석 결과는 peak점의 $2{\theta}$는 $20^{\circ}{\sim}23^{\circ}$ 사이로 낮은 탄화정도의 석탄에 해당되었으며, 석탄구성물질 분류에서 비트리나이트 군이 93~94%, 엑시나이트 군이 5~6%, 인어티나이트군이 1% 이었다. 또한 석탄의 비트리나이트 평균반사율은 $R_{mean}$: 0.627로 고휘발분역청탄 C(high volatile bituminous C coal) 또는 아역청탄 A(sub-bituminous A coal)에 해당된다. 공업분석 결과 미국 광무국의 기준에 의하면 아역청탄 A(sub-bituminous A coal) 또는 고휘발분역청탄 C(high volatile bituminous C coal)에 해당되며, 원소 분석 결과 역청탄에 해당되는 점결탄으로 분류된다. 마도1호선 석탄과 국내 석탄을 비교 분석 결과 포항 인근 장기지역의 갈탄과 유사하였다.
태안군 마도 해역 해저에서 인양된 마도 1호선의 선체 내 외부에서 출토된 석탄의 지구화학적 및 광학적, 광물학적 특성을 분석하였다. 연구 결과, 석탄의 비중은 $1.28g/cm^3$로 약 10%의 광물질 함유 상태를 고려하면 순수한 석탄만의 비중은 $1.15g/cm^3$ 정도이며, 갈탄과 유연탄 사이의 범위 해당된다. X-선 회절분석 결과는 peak점의 $2{\theta}$는 $20^{\circ}{\sim}23^{\circ}$ 사이로 낮은 탄화정도의 석탄에 해당되었으며, 석탄구성물질 분류에서 비트리나이트 군이 93~94%, 엑시나이트 군이 5~6%, 인어티나이트군이 1% 이었다. 또한 석탄의 비트리나이트 평균반사율은 $R_{mean}$: 0.627로 고휘발분역청탄 C(high volatile bituminous C coal) 또는 아역청탄 A(sub-bituminous A coal)에 해당된다. 공업분석 결과 미국 광무국의 기준에 의하면 아역청탄 A(sub-bituminous A coal) 또는 고휘발분역청탄 C(high volatile bituminous C coal)에 해당되며, 원소 분석 결과 역청탄에 해당되는 점결탄으로 분류된다. 마도1호선 석탄과 국내 석탄을 비교 분석 결과 포항 인근 장기지역의 갈탄과 유사하였다.
This study analyses geochemistrical, microscopic, mineralogical characteristics of coals which have been collected from in and out of the shipwreck No 1 of Mado island during underwater excavation in Taean. The result from mineralogical and geochemical analysis reveals that the specific gravity of t...
This study analyses geochemistrical, microscopic, mineralogical characteristics of coals which have been collected from in and out of the shipwreck No 1 of Mado island during underwater excavation in Taean. The result from mineralogical and geochemical analysis reveals that the specific gravity of the coals is $1.28g/cm^3$. Considering that coals contains 10% mineral of it and the specific gravity of the pure is $1.15g/cm^3$, it is believed that the collected coals would be lignite or biturminous coal. The X-ray diffraction analysis which displays the peak of $2{\theta}$ is 20~25C degree, proves that the collected coals would be categorised as low rank coal. The collected coals is composed of: 93%-94%(93.5%) of vitrinite maceral group, 5%-6%(5.5%) of exinite maceral group, and 1% of inertinite maceral group. In addition, the average of reflection rate is $R_{mean}$: 0.627 showing that it would be either high volatile bituminous C coal or sub-bituminous C coal. Such result confirms that the coal is sub-bituminous C or high volatile bituminous C coal in accordance with the U.S Bureau of Mine(USBM) classification system. The element analysis reveals that the coal is the coking coal which is grouped as the bituminous coal. Comparative analysis between the coals of Mado Shipwreck No 1 and domestic coals shows that the coals of Mado Shipwreck is similar to the bituminous coal used in the area of Janggi in Pohang city.
This study analyses geochemistrical, microscopic, mineralogical characteristics of coals which have been collected from in and out of the shipwreck No 1 of Mado island during underwater excavation in Taean. The result from mineralogical and geochemical analysis reveals that the specific gravity of the coals is $1.28g/cm^3$. Considering that coals contains 10% mineral of it and the specific gravity of the pure is $1.15g/cm^3$, it is believed that the collected coals would be lignite or biturminous coal. The X-ray diffraction analysis which displays the peak of $2{\theta}$ is 20~25C degree, proves that the collected coals would be categorised as low rank coal. The collected coals is composed of: 93%-94%(93.5%) of vitrinite maceral group, 5%-6%(5.5%) of exinite maceral group, and 1% of inertinite maceral group. In addition, the average of reflection rate is $R_{mean}$: 0.627 showing that it would be either high volatile bituminous C coal or sub-bituminous C coal. Such result confirms that the coal is sub-bituminous C or high volatile bituminous C coal in accordance with the U.S Bureau of Mine(USBM) classification system. The element analysis reveals that the coal is the coking coal which is grouped as the bituminous coal. Comparative analysis between the coals of Mado Shipwreck No 1 and domestic coals shows that the coals of Mado Shipwreck is similar to the bituminous coal used in the area of Janggi in Pohang city.
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문제 정의
마도 1호선에 인양한 석탄은 이보다 약 380년 전의 것으로 고려시대 지배층의 문헌자료로 알 수 없었던 생활 용품 연구에 중요한 의미를 가지는 자료라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 마도 1호선 선체 내부와 외곽에서 출토된 석탄의 재질 특성을 검토하기 위해 광물학적 및 지구화학적 연구를 수행하였으며, 마세랄(maceral)의 종류와 특징 등을 분석하기 위해서 기재학적 연구를 실시하였다. 이러한 연구를 토대로 국내 석탄의 특성과 비교하여 마도 1호선 석탄의 산지도 함께 추정하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 마도 1호선 선체 내부와 외곽에서 출토된 석탄의 재질 특성을 검토하기 위해 광물학적 및 지구화학적 연구를 수행하였으며, 마세랄(maceral)의 종류와 특징 등을 분석하기 위해서 기재학적 연구를 실시하였다. 이러한 연구를 토대로 국내 석탄의 특성과 비교하여 마도 1호선 석탄의 산지도 함께 추정하고자 하였다.
가설 설정
: moist, mineral matter free, mmf)을 계산하기 어려웠다. 다만 이론적으로 탄화정도에 따른 수분의 함유상태는 Figure 5와 같이 변화고 있어(Berkowitz, 1979) 탄소함유량을 약 80% 일 때 총 수분을 15%로 가정하여 무수기준(dry basis)의 발열량을 참고로 하고 발열량(C.V.: moist, mineral matter free, mmf) 값을 7054kcal/kg로 계산하였다.
제안 방법
연마편은 석탄을 18∼200 메쉬 사이의 입도로 분쇄한 후 automatic mounting press(모델 Simplimet2000, Buehler, Lake Bluff, 미국)를 사용, thermal plastic mount로 제작하였다. Automatic point counter(Swift社, England)가 부착된 반사현미경(orthoplan microscope with MPV 2 microphotomet-er, Ernst Leitz社, 서독)을 이용하여 석탄의 유기물 조직인 마세랄(maceral)을 관찰하였다(Lee et al., 2010).
마도 1호선 석탄의 재료학적 특성 연구를 통한 갈탄과 역청탄의 경계부에 해당되는 에 해당되는 석탄으로 밝혀졌고, 이를 결과를 토대로 한국지질자원연구원의「중생대 함탄층과 석탄의 암석지화학적 특성. IN 한반도/동북아 중생대 지각진화 연구」연구결과 중에서 국내 1개의 갈탄 탄전과 갈탄지구의 석탄에 대해 특성비교를 실시하였다.
연마편 시료에 대해 100개 지점의 비트리나이트 반사율을 측정하였으며, 이 때 측정시야 내의 비트리나이트는 흠집이 없고 광물입자를 함유하지 않는 곳을 선택하였다. 또한 측정 장치의 안정성을 유지하기 위해 측정 작업 시 30분마다 표준시료의 반사율을 측정하였다(Davis, 1978).
마도 1호선 석탄의 비중을 측정하여 석탄의 종류에 따른 비중을 비교 분석하였다. 일반적으로 석탄에 함유되는 광물의 비중은 2g/cm3～3g/cm3으로 취급되며, 석탄의 비중은 1.
국내의 석탄자원은 대부분 무연탄이고 그 이외에 아주 소량의 갈탄과 아역청탄이 분포하고 있으며, 13개의 무연탄 탄전과 5개의 무연탄 지구 그리고 1개의 갈탄 탄전과 갈탄지구가 분포한다(Park, 2004)(Figure 6B). 마도 1호선 석탄의 재료학적 특성 연구를 통한 갈탄과 역청탄의 경계부에 해당되는 에 해당되는 석탄으로 밝혀졌고, 이를 결과를 토대로 한국지질자원연구원의「중생대 함탄층과 석탄의 암석지화학적 특성. IN 한반도/동북아 중생대 지각진화 연구」연구결과 중에서 국내 1개의 갈탄 탄전과 갈탄지구의 석탄에 대해 특성비교를 실시하였다.
672이다. 비트리나이트 반사율(reflectance)은 측정치의 편차가 적은 유침(immersion oil)식 대물렌즈를 사용하여 측정하고 평균반사율(Rmean)을 계산하였다. 연마편 시료에 대해 100개 지점의 비트리나이트 반사율을 측정하였으며, 이 때 측정시야 내의 비트리나이트는 흠집이 없고 광물입자를 함유하지 않는 곳을 선택하였다.
석탄에 함유된 광물의 조성과 상대적 함량을 동정하기 위해 X-선 회절분석(X-Ray Diffractometer, PANalytical, X'Pert PRO MPD, X'Pert HighScore Plus 소프트웨어, Cu Target, 40kV, 30mA, scanning speed 0.003°/s )을 5°∼70°까지 실시하였다.
석탄의 공업분석은 대한석탄공사기술연구소에서 분석하였으며, 수분, 휘발분, 회분은 하나의 분석과정(ASTM D5142)을 거쳐 순차적으로 분석하였다. 원소분석은 C, H, N은 ASTM D5373, S는 ASTM D4239에 의해 측정하고, O는 100에서 C, H, N, S 및 회분함량을 뺀 값으로 계산 하였다.
연마편은 석탄을 18∼200 메쉬 사이의 입도로 분쇄한 후 automatic mounting press(모델 Simplimet2000, Buehler, Lake Bluff, 미국)를 사용, thermal plastic mount로 제작하였다.
석탄의 공업분석은 대한석탄공사기술연구소에서 분석하였으며, 수분, 휘발분, 회분은 하나의 분석과정(ASTM D5142)을 거쳐 순차적으로 분석하였다. 원소분석은 C, H, N은 ASTM D5373, S는 ASTM D4239에 의해 측정하고, O는 100에서 C, H, N, S 및 회분함량을 뺀 값으로 계산 하였다.
, 1993). 일반적으로 이들 두 방법 중에서 후자를 이용하는 경우가 많은데 전자는 석탄이 빛의 흡수력이 강하여 측정용 박편의 두께가 10～12㎛ 정도로 얇아야 되므로 박편제조상에 어려움이 있는데 반하여 후자는 구성 물질 분류를 하면서 동시에 탄화정도도 측정할 수 있기 때문에 본 시험에서는 후자의 방법을 사용하였다(Park et al., 1993).
석탄의 겉보기비중은 분석용 저울(GX-600)과 비중측정기(GX-13)를 이용하였다. 측정방법은 KS L 4008에서 규정하는 방법을 이용하였으나, 측정시편이 유물이라는 제약 때문에 규정에서 요구하는 50g 이상의 시편은 이용하지 못했으며, 30g 이상의 시료에 대해 3회 측정하여 평균값을 제시하였다.
태안 마도 1호선에 출토된 석탄은 오랫동안 바닷물과 갯벌에 노출되어 있었으므로, 40℃의 1차 증류수에 완전히 침수시킨 후 24시간 간격으로 일주일동안 증류수를 교체하여 탈염처리를 실시하였다. 탈염이 끝난 석탄은 흡습포를 이용하여 표면에 있는 수분을 제거하고 30일 동안 자연 건조시켰다.
대상 데이터
2008년 5월부터 2010년 6월까지 충남 태안군 근흥면 신진도 마도 해역 1구역(N 36°41′425″, E 126°07′264″)(Figure 1A)에서 탐사 및 수중 발굴을 실시한 결과로 고려 시대 선박 1척(마도 1호선)이 발견되었다.
2010)을 이용하여 탄화정도를 측정할 수 있다. 마도1호선 석탄시료에 대한 비트리나이트 반사율은 석탄의 특성인 불균질성을 고려하여 3개의 시료를 채취하여 측정하였다.
반사율 측정은 한국지질자원연구원에서 실시하였으며 반사율 측정에 사용된 표준물질은 유리로써 546㎚ 파장의 단색광에서 굴절율은 Roil:0.299, Roil:0.506와 Roil:0.940, Roil:1.025, Roil:1.381, 그리고 Roil:1.672이다. 비트리나이트 반사율(reflectance)은 측정치의 편차가 적은 유침(immersion oil)식 대물렌즈를 사용하여 측정하고 평균반사율(Rmean)을 계산하였다.
비트리나이트 반사율(reflectance)은 측정치의 편차가 적은 유침(immersion oil)식 대물렌즈를 사용하여 측정하고 평균반사율(Rmean)을 계산하였다. 연마편 시료에 대해 100개 지점의 비트리나이트 반사율을 측정하였으며, 이 때 측정시야 내의 비트리나이트는 흠집이 없고 광물입자를 함유하지 않는 곳을 선택하였다. 또한 측정 장치의 안정성을 유지하기 위해 측정 작업 시 30분마다 표준시료의 반사율을 측정하였다(Davis, 1978).
성능/효과
1. 태안 마도 1호선 석탄의 비중은 1.28g/cm3로 약 10%의 광물질 함유를 고려하면 순수한 석탄의 비중은 1.15g/cm3 정도이며, 갈탄과 유연탄 사이에 해당되었다.
2. X-선회절분석 결과, peak점의 2θ값이 20° ～ 23° 사이로 낮은 탄화정도의 석탄(low rank coal)에 해당되었으며, 석탄시료에 함유된 대표적인 광물은 제올라이트, 황철석, 석영, 방해석 등 임을 알 수 있었다.
3. 석탄구성물질 분류(조직분석)에서 비트리나이트 군(vitrinite maceral group)이 93～94%(93.5%), 엑시나이트군(exinite maceral group)이 5～6%(5.5%), 이너티나이트군(inertinite maceral group)이 1%로서 높은 반응성이 기대되며 석탄의 액화 원료탄으로 가능성이 높다.
4. 반사율 측정결과 평균반사율이 0.63%로 고휘발분역청탄 C(high volatile bituminous C coal) 또는 아역청탄 A(subbituminous A coal)에 해당된다.
5. 석탄의 탄화정도는 탄소(C)에 의한 석탄분류에서 역청탄에 해당되는 점결탄으로 분류되는데 이는 분석과정에서 석회질광물이 탄소량에 영향을 미쳐 보다 높게 측정 된 것으로 해석되며, 미국 광무국의 기준에 의하면 아역청탄 C(sub-bituminous C coal) 또는 고휘발분역청탄 C(high volatile bituminous C coal)에 해당되었다.
7. 마도1호선 석탄의 탄화정도는 국내의 갈탄류와 유사하며 특히 포항 인근의 장기지역에 분포되는 석탄과 유사하다. 그러므로 해저유물 석탄을 국내의 석탄 중에서 그 출처를 찾는다면 장기지역의(경북 포항시 장기면) 석탄이 이에 해당될 수 있을 것이다.
우리나라 갈탄지구의 석탄 중에서 마도 아역청탄 A(고 휘발분 역청탄 C)은 포항시 장기지역의 아역청탄과 가장 유사한 석탄임을 알 수 있었다. 비교분석 결과 비트리나이트 반사율과 고정탄소, 발열량은 장기지역 석탄이 다소 낮은 값을 보였으며, 휘발분은 장기지역 석탄이 다소 높은 값을 보였다(Table 7, Figure 6). 또한 원소분석에서 산소를 제외한 탄소, 수소, 질소, 황은 장기지역 석탄이 다소 낮은 값을 나타냈다(Table 7, Figure 6).
우리나라 갈탄지구의 석탄 중에서 마도 아역청탄 A(고 휘발분 역청탄 C)은 포항시 장기지역의 아역청탄과 가장 유사한 석탄임을 알 수 있었다. 비교분석 결과 비트리나이트 반사율과 고정탄소, 발열량은 장기지역 석탄이 다소 낮은 값을 보였으며, 휘발분은 장기지역 석탄이 다소 높은 값을 보였다(Table 7, Figure 6).
원소분석 결과 석탄은 탄소(C)함유량 83.12%로 석탄분류에서 역청탄에 해당되는 점결탄으로 분류되는데 이는 분석과정에서 석회질광물이 탄소량에 영향을 미쳐 보다 높게 측정 된 것으로 해석된다. 마도 1호선 석탄의 품질에서는 유황성분이 약 2%가 문제가 될 수 있지만 직접연소 형태의 연료용으로는 매우 좋은 석탄이며 수소의 성분이 높아 발열량이 높고 연소에서 매우 활성으로 액화 원료탄으로 사용 가능성이 예측된다(Table 6).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄의 가장 원시적인 사용은 무엇인가?
석탄의 가장 원시적인 사용은 가정연료 및 취사용이며 현재에는 여러 분야에서 에너지를 생산하는 원료로 사용되고 있다. 이러한 석탄이 해저에서 인양된 고려시대 고선박과 함께 발굴되었다는 것은 그 시대 석탄의 용도와 생산지를 밝히는데 중요한 단서가 된다.
석탄의 겉보기비중은 무엇을 이용하여 측정하였는가?
석탄의 겉보기비중은 분석용 저울(GX-600)과 비중측정기(GX-13)를 이용하였다. 측정방법은 KS L 4008에서 규정하는 방법을 이용하였으나, 측정시편이 유물이라는 제약 때문에 규정에서 요구하는 50g 이상의 시편은 이용하지 못했으며, 30g 이상의 시료에 대해 3회 측정하여 평균값을 제시하였다.
석탄의 겉보기비중 측정 방법은?
석탄의 겉보기비중은 분석용 저울(GX-600)과 비중측정기(GX-13)를 이용하였다. 측정방법은 KS L 4008에서 규정하는 방법을 이용하였으나, 측정시편이 유물이라는 제약 때문에 규정에서 요구하는 50g 이상의 시편은 이용하지 못했으며, 30g 이상의 시료에 대해 3회 측정하여 평균값을 제시하였다.
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