[논문]석탄 잔사회 및 바닥재가 포함된 인공경량골재의 발포특성에 미치는 활성탄소의 영향

강민아; 강승구

doi:10.6111/jkcgct.2013.23.4.201

석탄 잔사회 및 바닥재가 포함된 인공경량골재의 발포특성에 미치는 활성탄소의 영향
Effect of activated carbon on bloating properties of artificial lightweight aggregates containing coal reject ash and bottom ash 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.23 no.4, 2013년, pp.201 - 206

초록
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화력발전소에서 배출되는 석탄 바닥재 및 잔사회는 재활용이 힘든 폐자원이어서 주로 매립 처분되고 있다. 본 연구에서는 국내 화력발전소에서 배출된 석탄 잔사회, 바닥재 그리고 준설토를 혼합하여 인공골재를 제조하고, 실험인자가 골재의 발포거동 및 물성에 미치는 영향을 분석하였다. 특히 미연탄소가 많이 포함되어 있는 잔사회에 대하여 하소 처리를 한 뒤, 인위적으로 활성탄소를 첨가함으로서 하소유무 및 활성탄소 첨가량이 인공골재의 발포특성에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해 인공골재의 부피비중 및 흡수율 값을 시편의 미세구조 관찰 결과와 연계하여 고찰함으로서, 잔사회의 재활용율 제고에 일조하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The coal bottom ash and reject ash discharged from a coal-fired power plant are difficult to recycle so most of them are mainly landfill-disposed. In this study, the artificial aggregate were produced using reject ash, bottom ash and dredged soil emitted from the coal-fired power plant in Korea and the effect of experimental factors on the bloating behavior and the properties of the aggregates were analyzed. In particular, a lot of unburned carbon in the reject ash was removed by calcination and the activated carbon was added to batch powders then the dependence of those process upon bloating properties of artificial aggregate were investigated. For this purpose, the specific gravity and water absorption values of artificial aggregates were investigated in conjunction with microstructural observations. This study could contribute to increase the recycling rate of the reject ash.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 미연탄소가 많이 포함되어 있어 잔사회를 하소하여 미연탄소를 제거한 뒤, 인위적으로 활성탄소를 첨가함으로서, 잔사회 하소유무 및 활성탄소량이 인공골재의 발포특성에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해 인공골재의 부피비중 및 흡수율 값을 미세구조 관찰 결과와 연계하여 고찰함으로서, 잔사회의 재활용율 재고에 일조하고자 하였다.
본 실험에서는 미연탄소가 많이 포함되어 있어 잔사회를 하소하여 미연탄소를 제거한 뒤, 인위적으로 활성탄소를 첨가함으로서, 잔사회 하소유무 및 활성탄소량이 인공골재의 발포특성에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해 인공골재의 부피비중 및 흡수율 값을 미세구조 관찰 결과와 연계하여 고찰함으로서, 잔사회의 재활용율 재고에 일조하고자 하였다.

제안 방법

이는 탄소함량이 높은 골재일수록 표면발포 거동을 나타내고, 따라서 표면에 개기공이 형성이 되어 흡수율이 높아졌기 때문이다. 또한 골재 내 활성 탄소 함량이 증가함에 따라 내부 블랙코어에 형성되었던 기공이 점차 표면으로 옮겨지는 것을 미세구조에서 관찰하였다. 특히 블랙코어의 면적은 내부 탄소의 양이 많아짐으로 인하여 더욱 넓어졌다.
한편, 준설토는 원료 내 탄소를 함유하고 있지 않았다. 본 실험에선 탄소함량이 매우 높은 잔사회를 하소함으로써 골재 내 전체 탄소량을 현저히 줄일 수 있었고, 이에 활성탄소를 0~2 wt% 첨가함으로서 골재 내의 탄소함량을 조절하였다.
본 연구에서 사용된 원료의 화학조성을 표시함에 있어(Table 1), 조성 산화물을 전통적인 세라믹 분류법에 의거하여 산성, 중성, 그리고 융제(flux) 산화물로 분류하였다. 산성 산화물은 세라믹스의 골격(flame)을 이루는 비금속 산화물로 RO₂ 그룹(R = 금속원소)에 속하며 SiO₂가 대표적이다.
원료의 화학조성 분석을 위하여 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용하였고, 소성체 절단면의 미세구조를 관찰하기 위하여 광학현미경(DCS-105, SOMETECH Vision, Korea)을 사용하였다. 또한 소성체의 온도변화에 따른 비중 및 흡수율 측정은 ‘KS F 2503’의 실험방법을 적용하였다.
잔사회는 1000℃에서 3시간 동안 하소하여 미연탄소를 제거하여 사용하였다. 이로부터 골재를 제조할 때, 잔사회, 준설토, 바닥재를 각각 5 : 3 : 2(무게비)로 혼합하고, 활성탄소를 0~2 wt% 범위로 첨가하여 골재 내 탄소량을 조절하였다. 본 연구에서 제조된 인공골재의 배치(batch) 조성, 잔사회 하소 유무 그리고 활성탄소 첨가량을 Table 2에 나타내었다.
준비된 배치분말을 24 h 동안 볼밀(ball mill)기로 혼합한 뒤, 실험자의 손으로 직경 10 mm의 구형 성형체를 성형하였고, 이를 110℃에서 24 h 동안 건조 후, 직화소성하여 인공골재를 제조하였다. 이때 소성온도는 1050~1250℃ 범위로 하고, 소성시간은 10분으로 고정하였다.
화력발전소에서 발생된 바닥재, 준설토 그리고 잔사회를 원료로 하여 골재를 제조함에 있어 잔사회를 하소하고, 활성탄소를 첨가하여 골재 내 탄소함량을 실험인자로 하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 석탄 잔사회(reject ash) 및 바닥재(bottom ash)는 국내 ‘Y’ 화력발전소에서 발생한 것이고, 준설토(dredged soil) 역시 해당 발전소 건설시 준설된 토양으로 각 원료의 조성을 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

또한 소성체의 온도변화에 따른 비중 및 흡수율 측정은 ‘KS F 2503’의 실험방법을 적용하였다.

성능/효과

2). 골재 내 탄소 함량이 높아지면, 표면 발포 현상으로 인하여 표면에 많은 개기공이 형성된 것이 관찰되었다. 특히 탄소함량이 제일 높은 AR 시편에서 그 현상이 두드러지게 나타났다.
95에 수렴하였다. 골재 흡수율은 소성온도 증가에 따라 감소하는 경향을 보였으며 활성탄소 함량에 따른 감소 기울기가 완만해졌다. 이는 탄소함량이 높은 골재일수록 표면발포 거동을 나타내고, 따라서 표면에 개기공이 형성이 되어 흡수율이 높아졌기 때문이다.
인위적으로 활성탄소를 첨가하지 않은 시편 즉, CAL-0이 다른 시편에 비해 고온에서 액상이 많이 생성되는 것으로 보아, 첨가된 활성탄소가 고온에서 시편의 액상 생성을 억제하는 것으로 생각되나, 정량적인 결론은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 골재 내에 활성탄소 함량이 높을수록 흡수율 감소 기울기가 완만해졌다. 이로 인하여 1200°C 이상에서 소성된 골재의 흡수율은 활성탄소 첨가량에 비례하여 높아졌다.
2에 나타내었다. 모든 시편들은 소성온도의 증가에 따라 흡수율이 감소하는 경향을 보였다. 이는 소성온도와 함께 표면에 형성된 액상의 양도 함께 많아져서, 표면의 개기공(open pore)이 막히기 때문이다.
본 연구에서는 바닥재, 준설토 그리고 잔사회를 원료로 사용하여 원료의 하소 유무, 활성 탄소 첨가량 그리고 소결온도 제어를 통해 부피비중이 0.95~1.55, 흡수율이 5~29 % 범위인 다양한 특성의 인공경량골재를 제조할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제조된 인공경량골재는 수질 정화용 담체, 토목 및 건축용 경량자재, 도시농공업용 토양 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 판단되며 이에 따라 기존에 재활용이 어려웠던 석탄 잔사회 및 바닥재의 재활용율이 높아질 것으로 기대된다.
본 연구에서는 제조된 인공골재는 부피비중이 0.95~1.55, 흡수율이 5~29 %로 다양한 물성을 나타내었고, 따라서 수질 정화용 담체, 토목 및 건축용 경량자재, 도시 농공업용 토양 등의 분야에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 기존에 재활용이 어려웠던 석탄 잔사회 및 바닥재의 재활용율이 높아질 것으로 기대된다.
이는 액상이 다량으로 형성되어 표면 균열을 매워주었기 때문으로 판단된다. 실제 육안으로도 CAL0 시편 포면에는 다른 시편들에 비해 더 많은 액상이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 이로 인해 CAL0 시편의 흡수율이 소결온도에 따라 급속히 감소된 것이다(Fig.
본 실험에서 가장 중요한 인자는 각 원료에 함유된 탄소의 함량이다. 잔사회의 탄소함량은 9.1 wt%로 매우 높았으며, 바닥재의 경우 1.7 wt%의 탄소함량을 나타내었다. 한편, 준설토는 원료 내 탄소를 함유하고 있지 않았다.
36 wt%), 이는 원료 성분중 바닥재에 존재하는 탄소 때문이다. 하소하지 않은 잔사회를 사용한 AR 시편의 탄소함량은 5.26 wt%로 가장 높게 나타났다.
한편, 하소된 잔사회를 사용한 배치원료에 활성탄소를 각각 1 및 2 wt% 첨가한 CAL1 및 CAL2 시편은 경량화 온도가 1150°C로 CAL0 시편과 같았으나, 1150~1200°C 소결온도 범위에서 밀도값이 CAL0 시편에 비해 낮게 나타나, 활성탄소 첨가가 발포경향을 향상시켰음을 알 수 있다.

후속연구

55, 흡수율이 5~29 % 범위인 다양한 특성의 인공경량골재를 제조할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제조된 인공경량골재는 수질 정화용 담체, 토목 및 건축용 경량자재, 도시농공업용 토양 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 판단되며 이에 따라 기존에 재활용이 어려웠던 석탄 잔사회 및 바닥재의 재활용율이 높아질 것으로 기대된다.
55, 흡수율이 5~29 %로 다양한 물성을 나타내었고, 따라서 수질 정화용 담체, 토목 및 건축용 경량자재, 도시 농공업용 토양 등의 분야에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 기존에 재활용이 어려웠던 석탄 잔사회 및 바닥재의 재활용율이 높아질 것으로 기대된다.
CAL0 시편은 다른 시편에 비하여 온도에 따른 흡수율 감소가 급격하였는데 이는 표면에 다량의 액상이 형성되었기 때문으로 생각된다. 인위적으로 활성탄소를 첨가하지 않은 시편 즉, CAL-0이 다른 시편에 비해 고온에서 액상이 많이 생성되는 것으로 보아, 첨가된 활성탄소가 고온에서 시편의 액상 생성을 억제하는 것으로 생각되나, 정량적인 결론은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 골재 내에 활성탄소 함량이 높을수록 흡수율 감소 기울기가 완만해졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄회의 종류는?	우리나라 총 전기생산량 중 화력 발전이 차지하는 비율은 약 37 %이며, 화력발전 과정에서 배출되는 석탄회는 연간 835만 톤에 이른다[1]. 석탄회는 발생 위치에 따라 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되는데, 비산재와 바닥재의 발생 비율은 대략 8 : 2(무게 기준) 정도로 알려져 있다[2]. 비산재는 입도가 미세하고 시멘트를 대체할 수 있는 조성을 갖고 있어 대부분 재활용되고 있다.
	탄소함량에 따른 골재 표면 관찰 사진에서 균열현상이 나타난 이유는?	소성온도 1200°C에서 시편 표면에 균열 현상이 나타났다. 이는 골재 내에 발포로 인하여 골재의 부피가 커지면서 표면이 갈라졌기 때문으로 생각된다. 그런데 1250°C에서는 표면 균열 흔적만이 남아있음을 볼 수 있다.
	표면발포란?	한편, 탄소 함량이 과도하게 많은 원료를 사용할 경우, 가스가 골재시편 내부가 아닌 외피에서 발포될 수 있으며 이를 소위 ‘표면발포’라 한다. 그런데 표면발포가 일어난 시편은 내부발포 시편에 비해 비중 및 흡수율이 높다는 단점이 있어 경량골재를 생산할 때 가능한 억제해야 할 현상으로 인식되고 있다[7].

참고문헌 (8)

Korea Electric Power Industrial Development Corporation, http://www.kepid.co.kr.
K.J. Kwon, "Utilization of fly ash & bottom ash as concrete materials", J. Arch. Ins. Kor. 54[2] (2010) 46.
A. Barba, F. Negre, M.J. Orts and A. Escardino, "Oxidation of black coring during the firing of ceramic ware-3. Influence of the thickness of the piece and the composition of the black core", Br. Ceram. Trans. and Jour. 91 (1992) 36.
K.D. Kim, "A Study on application and fabrication of functional ceramics for constructing materials using ecofriendly waste recycling process", Doctoral dissertation, Kyonggi University (2010).
W.E. Brownell, "Black coring in structural clay products", J. Am. Ceram. Soc. 40(6) (1957) 179.

상세보기
K.J.D. MacKENZIEA and C. M. Cardile, " $A^{57}Fe$ Mossbauer study of black coring phenomena in clay-based ceramic materials", J. Mater. Sci. 25 (1990) 2937.

상세보기
M.A. Kang and S.G. Kang, "Characterization of artificial aggregates fabricated from coal bottom ash containing much unburned carbon", J. Kor. Cryst. Growth and Cryst. Tech. 21[1] (2011) 47.

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K.D. Kim and S.G. Kang, "Characterization of artificial aggregates fabricated with direct sintering method", J. Kor. Cryst. Growth and Cryst. Tech. 21[1] (2011) 34.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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