[논문]폐유리가 첨가된 석탄바닥재-준설토 계 인공골재의 특성

조시내; 강승구

doi:10.6111/jkcgct.2013.23.3.146

[국내논문] 폐유리가 첨가된 석탄바닥재-준설토 계 인공골재의 특성
Properties of artificial aggregates of coal bottom ash-dredged soil system added with waste glass 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.23 no.3, 2013년, pp.146 - 151

초록
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본 연구에서는 석탄 바닥재와 준설토(7 : 3, 무게비율)로 제조된 인공골재의 물성에 미치는 폐촉매 유리질 슬래그(이하 폐유리로 칭함) 첨가 영향을 평가하였다. 특히 인공골재의 비중 및 흡수율 결과를 미세구조와 연계하여 그 발포특성을 고찰하였다. $1050{\sim}1150^{\circ}C$ 범위 내에서 인공골재 비중은 소성온도와 함께 약간 증가되었으나 그 이상의 소성온도에서는 감소하여 발포경향을 나타내었다. 폐유리 첨가량이 증가할수록 인공골재의 발포특성은 억제되었으며, 비중은 증가하는 경향을 보였다. 한편 인공골재 흡수율은 소성온도의 증가와 함께 감소하였다. $1200^{\circ}C$ 이상의 소성온도에서 표면에 균열이 발생함과 동시에 다량의 액상이 형성되었으나, 이러한 현상들은 폐유리를 첨가함으로서 제어할 수 있었다. 본 연구에서 제조된 인공골재의 비중은 1.1~1.6, 흡수율은 8~22 % 범위값을 나타내어 인공경량골재의 KS 기준을 만족하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of addition of waste glassy slag produced from recycling of spent catalyst (denoted as waste glass hereafter) on the physical properties of artificial aggregates made of coal bottom ash and dredged soil (7 : 3 by weight base) was evaluated. Especially, the bloating behavior of artificial aggregates was analyzed by performing the relation study between the apparent density, water absorption and microstructure. The apparent density of artificial aggregates increased slightly with sintering temperature at $1050{\sim}1150^{\circ}C$, but decreased above $1150^{\circ}C$ showing bloating phenomenon. The bloating behavior of artificial aggregates was decreased so the apparent density increased with amount of waste glass added. Also, the water absorption of artificial aggregates decreased with sintering temperature. Above $1200^{\circ}C$, big fissure and much liquid were formed at the surface of artificial aggregates and these phenomena could be suppressed by increasing amount of waste glass added. The artificial aggregates fabricated in this study had an apparent density of 1.1~1.6 and water absorption of 8~22 % which meet KS requirements for the artificial lightweight aggregates.

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문제 정의

본 논문에서는 석탄 바닥재, 준설토 그리고 폐촉매 유리질 슬래그(이하 폐유리로 칭함)를 재활용하기 위하여 이들을 다양한 비율로 혼합하여 인공골재를 제조하였다. 또한 제조된 골재의 물리적 특성과 발포경향을 미세구조 관찰결과와 연계하여 고찰하였으며, 특히 폐유리가 인공골재의 물성에 미치는 영향을 분석하였다.

가설 설정

유리 액상의 점도(η)는 온도 T에서 Lakatos가 제안한 다음 실험식(1)을 사용하되, 시편혼합물은 모두 단일 산화물로 구성되었다고 가정하였다[12, 13].

제안 방법

사용된 원료의 화학조성은 XRF를 사용하여 분석하였고, 제조된 인공경량골재의 비중 및 흡수율은 KS F 2503 “굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험 방법”을 사용하여 측정하였으며, 소성체 절단면의 미세구조는 광학현미경(DCS-105, Sometech-vision, Korea)을 이용하여 관찰하였다.
본 논문에서는 석탄 바닥재, 준설토 그리고 폐촉매 유리질 슬래그(이하 폐유리로 칭함)를 재활용하기 위하여 이들을 다양한 비율로 혼합하여 인공골재를 제조하였다. 또한 제조된 골재의 물리적 특성과 발포경향을 미세구조 관찰결과와 연계하여 고찰하였으며, 특히 폐유리가 인공골재의 물성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서 제조된 인공골재에 대한 각 원료의 배합비를 Table 2에 나타내었다. 석탄바닥재를 준설토와 7:3의 무게비율로 혼합한 후 폐유리를 0~15 wt%로 첨가하여 인공골재를 제조하였다. 시편명에서 W는 폐유리를 의미하며, 숫자는 폐유리 첨가량(wt%)을 나타낸다.
모든 원료들은 110℃에서 24 hr 건조한 후, 핀밀(pinmil)을 이용하여 150 µm 이하의 크기로 분쇄하여 사용하였다. 각 원료가 혼합된 배치분말을 볼밀을 이용하여 24시간 혼합하고, 20 wt% 물을 첨가하여 직경 9~11 mm 의 구형 시편으로 성형한 뒤, 이를 1050~1250℃에서 10분간 직화소성(flash sintering)하여 인공골재를 제조하였다. 직화소성법은 미리 예열시킨 로(furnace)에 성형체를 넣어 일정시간 소성한 뒤 바로 상온으로 배출시키는 방식이다.
본 연구에서 사용된 원료들의 발포 가능성을 예측하기 위하여 조성 산화물들을 전통적인 세라믹 3축 성분계에 의거하여 분류하였다. 즉, RO₂(R = metals) 형태의 구조 산화물(frame oxides), RO 및 R₂O 형태의 융제 산화물(fluxing oxides) 그리고 R₂O₃ 형태의 중성 산화물(neutral oxides)로 분류하고 이를 Fig.
본 연구에서는 바닥재와 준설토가 7:3으로 혼합된 배치분말에 폐유리(폐촉매 유리질 슬래그)를 0~15 wt% 첨가한 후 직화소성법으로 인공경량골재를 제조하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 원료로는 국내 Y 화력발전소에서 배출된 석탄바닥재(coal bottom ash)와 동일한 발전소에서 배출된 준설토(dredged soil), 국내 H 사에서 배출된 폐촉매 유리질 슬래그(이하 폐유리로 칭함)를 사용하였다. 각 원료의 화학적 성분을 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)로 분석하여 Table 1에 나타내었다.
The specimens fabricated in this study are included in the Riley’s bloating zone (●: bottom ash, ○: dredged soil, ■: waste glass).
이는 온도가 증가하면 표면에 형성된 액상의 양도 함께 많아짐으로 생성된 액상이 표면의 개기공을 메워주어 흡수율이 낮아졌기 때문이다. 본 연구에서 제조된 인공골재들은 흡수율이 9%~21 %의 범위를 나타내었다.

성능/효과

3에 나타내었다. 모든 시편들은 1050~1150℃의 저온 범위에서 소성온도 증가와 함께 비중이 약간 증가하여 전형적인 치밀화 소결거동을 나타내었다. 1200℃에서 15 W 시편을 제외하고는 발포현상이 시작되어, 비중이 감소하기 시작했으며, 1250℃에서 모든 시편이 발포거동을 보였다.
발포현상이 완전히 일어난 1250℃에서 소결된 경우, 폐유리 함량과 함께 인공골재의 비중값이 증가하였다. 즉, 발포경향이 폐유리 함량에 반비례하는 관계를 보였다. 이는 1250℃에서 생성된 액상의 점도가 폐유리 함량과 함께 높아지기 때문이다(Fig.
4는 소성온도 변화에 따른 인공골재의 흡수율 변화를 나타낸 그래프이다. 모든 시편은 소성 온도가 증가함에 따라 흡수율이 감소하는 경향을 보였다. 또한 각 조성에 따른 흡수율은 큰 차이를 나타내지 않았고, 거의 비슷한 경향을 나타내었다.
폐유리가 첨가되지 않은 시편(0 W)는 1100℃이하의 소성온도에서는 단면이 붉은색이었으나, 1150℃이상에서 부터 내부에 검은색의 블랙코어(black core)가 형성되었다. 골재 내부에 형성되는 블랙코어의 크기 및 발생 온도는 폐유리 첨가량 증가에 따라 감소하였다. 예를 들어, 1150℃ 소성온도의 경우 폐유리 첨가량 증가에 따라 블랙코어 크기가 감소하여 15 W 시편에서는 블랙코어 현상이 거의 관찰되지 않았다.
폐유리가 첨가되지 않은 골재는 1200℃에서 소성한 경우, 내부의 기체가 포집되어 있으며, 일부 기공들은 서로 결합하여 거대기공을 형성하였다. 폐유리가 5~10 wt% 첨가된 시편에서도 1250℃에서 거대기공이 형성되었으나 15 wt% 첨가된 시편에서는 거대기공 형성이 억제되었다. 이는 폐유리의 높은 융점으로 인하여 1250℃의 높은 온도에서도 시편이 가스를 포획할 수 있는 충분한 점탄성 (visco elastic)특성을 나타내지 못했기 때문으로 생각된다.
이와 같은 결과로부터, 첨가된 폐유리는 인공골재의 발포 및 경량화 경향을 낮추었으나, 1200℃ 이상의 소결온도에서 발생하는 표면 갈라짐 현상을 억제하였으며 또한 1250℃ 이상에서 나타나는 내부의 거대기공형성을 막아주어, 균일한 기공분포를 유도하는 효과가 있음을 확인하였다.
대부분의 시편은 1200℃에서 발포현상이 시작되었고, 1250℃에서 완전 발포되어 경량화되었다. 폐유리는 용융 온도가 높고, 점도가 높아, 인공골재 내 폐유리 함유량과 함께 시편 점도가 증가하는 것으로 계산되었다. 이로 인해 발포현상이 완전히 일어난 1250℃에서 소결된 경우, 폐유리 함량과 함께 비중값이 증가하여, 발포경향이 폐유리 함량에 반비례하였다.
소결온도 1200℃에서 시작된 발포현상으로 인해 시편 표면에 균열이 나타났으며, 1250℃에서는 많은 량의 액상이 표면에 형성되었으나, 이러한 현상은 폐유리를 첨가함으로서 제어가 가능하였다. 폐유리가 첨가되지 않은 골재는 1200℃에서 소성한 경우, 내부에 기체가 포집되면서 거대기공을 형성하였으나, 폐유리를 첨가하면 시편 내 거대기공 형성이 억제되면서 기공분포를 균일화시키는 효과를 보였다.
본 연구를 통하여 폐유리 첨가량을 0~15 wt% 범위로 첨가함으로서 인공골재의 표면균일현상을 억제할 수 있었고, 균일한 기공분포를 얻을 수 있음을 확인하였다. 제조된 인공골재는 폐유리의 첨가량에 따라 비중은 1.
본 연구를 통하여 폐유리 첨가량을 0~15 wt% 범위로 첨가함으로서 인공골재의 표면균일현상을 억제할 수 있었고, 균일한 기공분포를 얻을 수 있음을 확인하였다. 제조된 인공골재는 폐유리의 첨가량에 따라 비중은 1.1~1.5, 흡수율은 8~22 % 범위의 값을 나타내어 인공경량골재의 KS 기준을 만족함으로서 향후 비구조용 건축자재로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석유화학 촉매의 수명은 얼마인가?	산업발전에 따라 백금족 폐촉매의 양이 증가되고 있어, 이로부터 고가인 백금족 금속의 회수 요구가 증대하고 있다. 국내에서 발생하는 폐촉매로는 정유공장에서 발생하는 석유 화학 폐촉매와 자동차 배기가스 정화용 폐촉매 등이 있으며, 이중 석유화학 촉매의 수명은 대략 3~4년 주기로 일부분씩 교체 하고 있다. 폐촉매에서 백금을 회수하는 가장 일반적인 방법은 폐촉매를 용제와 함께 용융시켜 슬래그를 얻는 과정에서 백금을 농축 분리시키는 건식법이다[1].
	폐촉매에서 백금을 회수하는 가장 일반적인 방법은 무엇인가?	국내에서 발생하는 폐촉매로는 정유공장에서 발생하는 석유 화학 폐촉매와 자동차 배기가스 정화용 폐촉매 등이 있으며, 이중 석유화학 촉매의 수명은 대략 3~4년 주기로 일부분씩 교체 하고 있다. 폐촉매에서 백금을 회수하는 가장 일반적인 방법은 폐촉매를 용제와 함께 용융시켜 슬래그를 얻는 과정에서 백금을 농축 분리시키는 건식법이다[1]. 그러나 건식법에 의한 백금족 금속 회수는 다량의 중금속을 함유하고 있는 유리질의 폐 슬래그를 배출하게 되므로 환경오염의 문제를 일으킨다[2].
	석탄바닥재의 재활용이 제한적인 이유는 무엇인가?	한편, 석탄바닥재는 석탄이 발전소 보일러 내에서 연소될 때 괴상 또는 입경이 큰 재 성분이 하부로 낙하된 것이다. 이는 비산재와 달리 균일하지 못한 형상 및 조성 등으로 인하여 재활용에 한계가 있어 거의 매립 처리를 하고 있는 실정이다[3-7]. 또한 준설작업 시 발생되는 준설토는 연간 4,600만 톤에 달하고 있으나, 대부분 매립 및 해양 투기에 의해 처리되고 있어 이에 대한 안정화 및 재활용 연구가 시급하다[8-10].

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