본 연구에서는 도시 쓰레기 소각재 슬래그에 알칼리 활성화제로서 NaOH를 첨가하여 지오폴리머를 합성하고 그 물성을 평가하였다. 특히 NaOH의 몰농도, 원료의 입도 그리고 액체/고체 비율이 제조된 지오폴리머의 압축강도에 미치는 영향을 조사하였다. 원료의 입도가 미세할수록 합성된 지오폴리머의 강도는 증가하였으며, 액체/고체 비율의 최적 값은 0.13으로 나타났다. 합성된 지오폴리머의 압축강도는 첨가된 NaOH의 몰농도가 증가함에 따라 함께 증가하는 경향을 나타내었으나, 20 M 이상의 농도에서는 일정 값에 수렴하였다. 20 M 이상의 NaOH 농도로 제조된 지오폴리머에는 sodium aluminum silicate 및 sodium aluminum silicate hydrate 형태의 2종류 zeolite 결정상이 생성되었다. 20 M NaOH 및 $70^{\circ}C$ 양생조건으로 제조된 시편에서 가장 높은 압축강도, 163 MPa이 발현되었으며, 이것은 고농도의 NaOH가 지오폴리머 반응 및 치밀한 미세구조 형성을 촉진시켰기 때문인 것으로 사료된다. 본 연구에서 제조된 고강도의 지오폴리머는 향후, 도시쓰레기 소각재 슬래그의 재활용율 제고는 물론 시멘트 대체 분야 발전에 일조할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 도시 쓰레기 소각재 슬래그에 알칼리 활성화제로서 NaOH를 첨가하여 지오폴리머를 합성하고 그 물성을 평가하였다. 특히 NaOH의 몰농도, 원료의 입도 그리고 액체/고체 비율이 제조된 지오폴리머의 압축강도에 미치는 영향을 조사하였다. 원료의 입도가 미세할수록 합성된 지오폴리머의 강도는 증가하였으며, 액체/고체 비율의 최적 값은 0.13으로 나타났다. 합성된 지오폴리머의 압축강도는 첨가된 NaOH의 몰농도가 증가함에 따라 함께 증가하는 경향을 나타내었으나, 20 M 이상의 농도에서는 일정 값에 수렴하였다. 20 M 이상의 NaOH 농도로 제조된 지오폴리머에는 sodium aluminum silicate 및 sodium aluminum silicate hydrate 형태의 2종류 zeolite 결정상이 생성되었다. 20 M NaOH 및 $70^{\circ}C$ 양생조건으로 제조된 시편에서 가장 높은 압축강도, 163 MPa이 발현되었으며, 이것은 고농도의 NaOH가 지오폴리머 반응 및 치밀한 미세구조 형성을 촉진시켰기 때문인 것으로 사료된다. 본 연구에서 제조된 고강도의 지오폴리머는 향후, 도시쓰레기 소각재 슬래그의 재활용율 제고는 물론 시멘트 대체 분야 발전에 일조할 것으로 기대된다.
In this research, the geopolymer was fabricated using municipal solid waste incineration ash (denoted as MSWIA) slag and alkali activator, NaOH and its properties were analyzed. Particularly, the effects of NaOH molarity, particle size of MSWIA, and liquid/solids ratio on the compressive strength of...
In this research, the geopolymer was fabricated using municipal solid waste incineration ash (denoted as MSWIA) slag and alkali activator, NaOH and its properties were analyzed. Particularly, the effects of NaOH molarity, particle size of MSWIA, and liquid/solids ratio on the compressive strength of geopolymers were investigated. The compressive strength of geopolymers fabricated increased with finer grain size of MSWIA, and optimum value of the liquid/solids ratio was identified as 0.13. As the molarity of the NaOH increased, the compressive strength of geopolymers was increased. Even more the 20 M of NaOH, but the strength was not increased. The calcium aluminum silicate and calcium aluminum silicate hydrate zeolites were generated in the geopolymer fabricated with more than 20 M of NaOH, with some unreacted silica and unknown crystals remained. The highest compressive strength, 163 MPa, of geopolymer was appeared at conditions of curing temperature $70^{\circ}C$, and 20 M of NaOH, indicating that the high concentration of NaOH accelerates the geopolymer reaction and dense microstructure. The high-strength geopolymer fabricated in the present study is expected to contribute significantly to develop the field of cement alternative substances and to improve the recycling rate of MSWIA slag.
In this research, the geopolymer was fabricated using municipal solid waste incineration ash (denoted as MSWIA) slag and alkali activator, NaOH and its properties were analyzed. Particularly, the effects of NaOH molarity, particle size of MSWIA, and liquid/solids ratio on the compressive strength of geopolymers were investigated. The compressive strength of geopolymers fabricated increased with finer grain size of MSWIA, and optimum value of the liquid/solids ratio was identified as 0.13. As the molarity of the NaOH increased, the compressive strength of geopolymers was increased. Even more the 20 M of NaOH, but the strength was not increased. The calcium aluminum silicate and calcium aluminum silicate hydrate zeolites were generated in the geopolymer fabricated with more than 20 M of NaOH, with some unreacted silica and unknown crystals remained. The highest compressive strength, 163 MPa, of geopolymer was appeared at conditions of curing temperature $70^{\circ}C$, and 20 M of NaOH, indicating that the high concentration of NaOH accelerates the geopolymer reaction and dense microstructure. The high-strength geopolymer fabricated in the present study is expected to contribute significantly to develop the field of cement alternative substances and to improve the recycling rate of MSWIA slag.
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문제 정의
본 연구의 목적은 도시 쓰레기 소각재 슬래그를 사용하여 지오폴리머를 제작하고, 이것이 시멘트 대체재로 가능한 지 여부를 분석하는 것이다. 이를 위하여 알칼리 활성화제로서 NaOH를 이용하고 원료입도, 액체/고체 비율, 몰농도에 따른 지오폴리머의 압축 강도를 측정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 도시쓰레기 소각재(MSWIA) 슬래그를 이용하여 지오폴리머를 제조, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
지오폴리머의 미세구조는 scanning electron microscopy(SEM, S-4800 HITACHI, Japan)을 이용하였으며, 백금 코팅 후 5 kV 가속전압 조건으로 관찰하였다. 압축강도는 universal testing machine(UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 5 cm/min의 헤드 속도로 3~5개 시편을 측정하여 평균값을 산출하였다.
본 연구의 목적은 도시 쓰레기 소각재 슬래그를 사용하여 지오폴리머를 제작하고, 이것이 시멘트 대체재로 가능한 지 여부를 분석하는 것이다. 이를 위하여 알칼리 활성화제로서 NaOH를 이용하고 원료입도, 액체/고체 비율, 몰농도에 따른 지오폴리머의 압축 강도를 측정하였다. 특히 결정상 분석과 미세구조 관찰결과를 지오폴리머의 기계적 특성과 연계하여 고찰하였다.
3에 NaOH 몰농도 변화에 따른 MSWIA 슬래그로 제조된 지오폴리머의 파괴단면 미세구조를 나타내었다. 전체적인 시편의 기공과 공극을 관찰하기 위하여 먼저 3,000배의 저배율로 관찰하였다. 저배율 사진을 보면 NaOH 몰농도가 증가함에 따라 미세구조가 치밀해지는 것을 확인할 수가 있다.
프레스 법으로 시편을 제조하면 공극 및 기공이 줄어들어 기계적 강도가 향상된다. 제조된 시편은 급격한 수분 증발을 방지하기 위하여 폴리에틸렌 지퍼백으로 밀봉한 상태에서 70℃에서 24시간 동안 양생시킨 후, 상온에서 1~3일 간 재령을 실시하였다.
제조된 지오폴리머의 결정상 분석은 X-Ray diffractometer(XRD, Rigaku MiniFlex2)를 사용하여 40 kV와 40 mA Cu Kα radiation 조건으로 수행하였다.
제조된 지오폴리머의 결정상 분석은 X-Ray diffractometer(XRD, Rigaku MiniFlex2)를 사용하여 40 kV와 40 mA Cu Kα radiation 조건으로 수행하였다. 지오폴리머의 미세구조는 scanning electron microscopy(SEM, S-4800 HITACHI, Japan)을 이용하였으며, 백금 코팅 후 5 kV 가속전압 조건으로 관찰하였다. 압축강도는 universal testing machine(UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 5 cm/min의 헤드 속도로 3~5개 시편을 측정하여 평균값을 산출하였다.
이를 위하여 알칼리 활성화제로서 NaOH를 이용하고 원료입도, 액체/고체 비율, 몰농도에 따른 지오폴리머의 압축 강도를 측정하였다. 특히 결정상 분석과 미세구조 관찰결과를 지오폴리머의 기계적 특성과 연계하여 고찰하였다.
대상 데이터
MSWIA 슬래그는 사용 전에 체거름을 통하여 45 µm 이하, 75~100 µm, 그리고 100~150 µm으로 입도가 다른 3종류의 원료로 준비하였다.
Phase analysis of geopolymers mad of MSWIA slag with different concentration of NaOH. The zeolite 1 and 2 mean sodium aluminum silicate hydrate (JCPDS#: 86-2218) and sodium aluminum silicate (JCPDS#: 47-0356), respectively.
따라서 본 연구에서는 MSWIA 슬래그 원료를 45 µm 이하인 것 만을 선별하여 사용하였고, 재령은 1일로 정하였다.
지오폴리머를 제조하기 위한 원료로서 경기도 소재 “A” 도시 쓰레기 소각장에서 배출된 소각재(MSWIA: municipal solid waste incineration ash) 슬래그를 사용하였다.
성능/효과
1) MSWIA 슬래그 원료의 입도가 미세할수록 지오폴리머의 압축강도는 높게 나타났으며, 이는 입도가 미세할수록 충진 효율이 증가됨은 물론 비표면적이 증가하여 지오폴리머 반응이 촉진되었기 때문으로 판단된다. 한편 liquid/solid ratio = 0.
2) 알칼리 활성화제인 NaOH 몰농도 증가에 따라 제조된 지오폴리머의 압축강도 역시 증가하는 경향을 나타냈으며, 20 M 시편에서 약 163 MPa로 최대 강도를 나타내었다. 이는 NaOH 몰농도가 증가함에 따라 지오폴리머 내 공극 및 기공이 감소되어 구조가 치밀해졌고 동시에 수-수십 나노미터 크기의 zeolite 결정립 입자들이 생성되어 모상을 강화시켰기 때문으로 판단된다.
3가지 종류의 입도 즉, 45 µm 이하, 75~100 µm 그리고 100~150 µm로 제조된 지오폴리머의 압축강도 측정 결과, 45 µm 이하의 입도를 사용하였을 때 가장 높은 압축강도를 나타내었다.
지오폴리머를 제조하기 위한 원료로서 경기도 소재 “A” 도시 쓰레기 소각장에서 배출된 소각재(MSWIA: municipal solid waste incineration ash) 슬래그를 사용하였다. MSWIA 슬래그의 화학조성을 X-ray fluorescence spectrometer(XRF, SPECTRO 2000)를 이용하여 측정한결과, 주 성분은 SiO2와 Al2O3인 것을 확인할 수 있었다 (Table 1). 도시 쓰레기 소각장에서 가져온 MSWIA 슬래그의 SEM 사진(Fig.
6에 나타내었다. 압축강도는 몰농도에 따라 증가하는 경향을 나타냈으며, 20 M 시편에서 약 163 MPa로 최대 강도를 나타내었다. 20 M 이상의 몰농도에서는 더 이상 압축강도가 증가되지 않았다.
후속연구
3) 본 연구에서는 제조된 MSWIA 슬래그 지오폴리머의 압축강도는 일반적인 시멘트 모르타르와 비교하여 매우 높은 값으로, 향후 시멘트 대체 재료로 활용이 가능할 것으로 생각된다. 아울러 본 연구 결과를 활용하면 MSWIA 슬래그의 재활용율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
20 M 이상의 몰농도에서는 더 이상 압축강도가 증가되지 않았다. 70℃/24 h의 조건으로 양생된 지오폴리머의 압축강도 값은 일반적인 시멘트 모르타르의 45~60 MPa[21]와 비교하였을 때 매우 높은 값으로 향후 시멘트 대체 재료로 충분히 활용이 될 것으로 생각된다.
3) 본 연구에서는 제조된 MSWIA 슬래그 지오폴리머의 압축강도는 일반적인 시멘트 모르타르와 비교하여 매우 높은 값으로, 향후 시멘트 대체 재료로 활용이 가능할 것으로 생각된다. 아울러 본 연구 결과를 활용하면 MSWIA 슬래그의 재활용율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지오 폴리머란?
한편 시멘트의 대체 재료로 주목받고 있는 지오폴리머는 제조과정에서 CO2 배출이 거의 없기 때문에 친환경 재료로 최근 큰 관심을 끌고 있다[3, 4]. 지오 폴리머는 알루미노 규산염 물질에 알칼리 활성제를 첨가 하여 소성과정을 거치지 않고 경화시킨 우수한 화학적, 기계적 특성을 갖는 재료이다[5-9]. 지오폴리머의 원료로 사용될 수 있는 물질로는 산업부산물/폐기물로서 비산재(fly ash) 및 슬래그(slag)가 대표적이고, 천연원료로는 점토 및 하소 카올린(kaolin)등이 있다[10, 11].
알칼리 활성화제인 NaOH 몰농도 증가에 따라 제조된 지오폴리머의 압축강도가 증가하는 경향을 나타낸 이유는?
2) 알칼리 활성화제인 NaOH 몰농도 증가에 따라 제조된 지오폴리머의 압축강도 역시 증가하는 경향을 나타냈으며, 20 M 시편에서 약 163 MPa로 최대 강도를 나타내었다. 이는 NaOH 몰농도가 증가함에 따라 지오폴리머 내 공극 및 기공이 감소되어 구조가 치밀해졌고 동시에 수-수십 나노미터 크기의 zeolite 결정립 입자들이 생성되어 모상을 강화시켰기 때문으로 판단된다.
지오폴리머의 원료로 사용될 수 있는 물질은?
지오 폴리머는 알루미노 규산염 물질에 알칼리 활성제를 첨가 하여 소성과정을 거치지 않고 경화시킨 우수한 화학적, 기계적 특성을 갖는 재료이다[5-9]. 지오폴리머의 원료로 사용될 수 있는 물질로는 산업부산물/폐기물로서 비산재(fly ash) 및 슬래그(slag)가 대표적이고, 천연원료로는 점토 및 하소 카올린(kaolin)등이 있다[10, 11].
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