배연탈황석고는 화력발전소에서 연료가 연소되면서 발생된 황산화물을 흡수, 제거하는 공정에서 발생되는 산업 부산물로서 최근 석탄 화력발전소의 배출가스에 관련된 환경규제가 대폭 강화됨에 따라 생산량이 점차 증가하고 있다. 배연탈황석고는 자연에서 얻어지는 형태의 천연석고와 거의 유사한 화학적 특성을 지니기 때문에, 이를 재활용하게 되면, 주로 수입에 의존하는 천연석고의 훌륭한 대체재로서 활용할 수 있다. 본 연구에서는 국내의 보령 화력발전소에서 생산된 배연탈황석고의 화학적 특성을 분석하고, 이를 이용하여 만든 시멘트 페이스트의 물성분석을 통하여, 배연탈황석고의 활용가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한 이를 적절하게 열처리하게 되면, 압축강도 및 건조수축에서의 개선효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
배연탈황석고는 화력발전소에서 연료가 연소되면서 발생된 황산화물을 흡수, 제거하는 공정에서 발생되는 산업 부산물로서 최근 석탄 화력발전소의 배출가스에 관련된 환경규제가 대폭 강화됨에 따라 생산량이 점차 증가하고 있다. 배연탈황석고는 자연에서 얻어지는 형태의 천연석고와 거의 유사한 화학적 특성을 지니기 때문에, 이를 재활용하게 되면, 주로 수입에 의존하는 천연석고의 훌륭한 대체재로서 활용할 수 있다. 본 연구에서는 국내의 보령 화력발전소에서 생산된 배연탈황석고의 화학적 특성을 분석하고, 이를 이용하여 만든 시멘트 페이스트의 물성분석을 통하여, 배연탈황석고의 활용가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한 이를 적절하게 열처리하게 되면, 압축강도 및 건조수축에서의 개선효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
Flue gas desulfurization gypsum is produced from emission process of fossil fuel power plant to remove sulfur dioxide ($SO_2$) from exhaust gas. Production of flue gas desulfurization gypsum in Republic of Korea has been increasing due to the enforced regulations by government agency. Sin...
Flue gas desulfurization gypsum is produced from emission process of fossil fuel power plant to remove sulfur dioxide ($SO_2$) from exhaust gas. Production of flue gas desulfurization gypsum in Republic of Korea has been increasing due to the enforced regulations by government agency. Since flue gas desulfurization gypsum has characteristic that is similar to that of natural gypsum, there is a strong possibility for flue gas desulfurization gypsum to replace the role of natural gypsum. However, consumption of such material is still limited, only used for agricultural purposes or to make gypsum boards, it is necessary to expand the use of this material more aggressively. In this research, the chemical and mineralogical properties of flue gas desulfurization gypsum were investigated, and flue gas desulfurization gypsum with heat treatment was used to make cement paste. According to the results, it was found that flue gas desulfurization gypsum used in this experiment was a very high purity gypsum, and shown to have similar property to that of natural gypsum. Heat treating flue gas desulfurization gypsum above $100^{\circ}C$ was shown to bring beneficial effect on both compressive strength and drying shrinkage
Flue gas desulfurization gypsum is produced from emission process of fossil fuel power plant to remove sulfur dioxide ($SO_2$) from exhaust gas. Production of flue gas desulfurization gypsum in Republic of Korea has been increasing due to the enforced regulations by government agency. Since flue gas desulfurization gypsum has characteristic that is similar to that of natural gypsum, there is a strong possibility for flue gas desulfurization gypsum to replace the role of natural gypsum. However, consumption of such material is still limited, only used for agricultural purposes or to make gypsum boards, it is necessary to expand the use of this material more aggressively. In this research, the chemical and mineralogical properties of flue gas desulfurization gypsum were investigated, and flue gas desulfurization gypsum with heat treatment was used to make cement paste. According to the results, it was found that flue gas desulfurization gypsum used in this experiment was a very high purity gypsum, and shown to have similar property to that of natural gypsum. Heat treating flue gas desulfurization gypsum above $100^{\circ}C$ was shown to bring beneficial effect on both compressive strength and drying shrinkage
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문제 정의
또한 배연탈황석고 또한 일반 천연석고와 마찬가지로 시멘트 페이스트에 활용되게 되면 적절한 팽창을 유도하여 건조수축을 보상할 수 있으며, 일정량의 생석회(lime) 및 적정량의 C3A를 추가적으로 혼입하게 되면 팽창용 모르타르로서 제작이 가능하기 때문에 보수 보강용의 모르타르 혹은 온도변화에 민감한 주택 바닥용 모르타르로써 활용 가능성이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 국내에서도 비교적 수급이 용이하고, 천연 및 화학석고에 비해서도 경제적인 배연탈황석고를 열처리하여, 다양한 형태로의 활용가능성을 확인하기 위해, 열처리된 배연탈황석고 혼입 시멘트 페이스트 및 모르타르의 물성을 비교 검토하여, 배연탈황석고의 건설재료로서의 적용가능성을 검토하고자 한다.
본 실험에서는 다량으로 발생되는 배연탈황석고를 건설재료로서의 보다 효율적으로 활용하기 위하여, 배연탈황석고의 기초적 물성을 분석하였다. 또한 다양한 온도에서 열처리를 가한 후 SO3 함유량을 2.
배연탈황석고는 자연에서 얻어지는 형태의 천연석고와 거의 유사한 화학적 특성을 지니기 때문에, 이를 재활용하게 되면, 주로 수입에 의존하는 천연석고의 훌륭한 대체재로서 활용할 수 있다. 본 연구에서는 국내의 보령 화력발전소에서 생산된 배연탈황석고의 화학적 특성을 분석하고, 이를 이용하여 만든 시멘트 페이스트의 물성분석을 통하여, 배연탈황석고의 활용가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다.
제안 방법
3%로 고정하고, 이를 시멘트 페이스트 및 모르타르에 혼입하였다. w/c=0.3, 고성능 감수제 1.3%(시멘트 중량비)를 첨가하여 시멘트 모르타르의 응결, 유동성, 경화, 압축강도 및 길이변화를 측정하여 배연탈황석고 혼입 모르타르의 물성을 비교 검토하였다.
본 실험에서는 다량으로 발생되는 배연탈황석고를 건설재료로서의 보다 효율적으로 활용하기 위하여, 배연탈황석고의 기초적 물성을 분석하였다. 또한 다양한 온도에서 열처리를 가한 후 SO3 함유량을 2.3%로 고정시켜 시멘트 페이스트 및 모르타르를 제작한 후, 응결시간, 유동성, 압축강도 및 길이변화 특성을 측정한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
배연탈황석고의 화학적 성분은 X선 형광분석 장치(X-ray Fluorescence)를 사용하여 확인하였고, 이를 Table 2에 나타내었다. 또한 배연탈황석고의 열적 특성을 분석하기 위해 시차주사열량계/열중량분석(Differential Scanning Calorimetry/Thermo- Gravimetric Analysis) 장치를 활용하여, 상전이에 필요한 열량 및 중량 손실을 정량적으로 측정하였다.
몰탈시험체의 소성수축 및 건조수축의 변화량을 확인하기 위하여, 압축강도 시험에 사용된 것과 같은 모르타르 배합을 이용하여 Figure 1과 같이 10×50×100㎜ 시험체를 제작하고, 10×50×100㎜의 시험체의 한쪽 끝을 구속단으로 고정(강제구속)한 후, 반대쪽에서의 수축량을 측정하였다.
배연탈황석고의 광물학적 특성 및 열처리에 의한 상전이에 따른 광물학적 특성의 차이를 비교하기 위해 오븐에서 각각 60℃, 80℃, 100℃ 및 150℃에서 2시간 건조시킨 배연탈황석고를 X선 회절분석(X-ray diffraction) 장치를 활용하여 분석하였다. 잔골재는 각기 다른 입도를 가진 모래를 KS F 2511 “골재에 포함된 잔 입자 시험방법” 기준에서 제안하는 표준입도에 만족하도록 조절하여 실험에 사용하였다.
2.2 배합
배연탈황석고의 열처리 조건에 따른 특성을 검토하기 위하여 SO3 함량비를 2.3%로 고정하고, 이를 시멘트 페이스트 및 모르타르에 혼입하였다
. w/c=0.
시멘트의 초기수화에 영향을 미칠 수 있는 석고(FDG)의 SO42- 이온의 용출속도를 측정하고자, 25℃, 60℃, 80℃, 100℃, 150℃에서 각각 2시간동안 건조된 시료 1g을 25℃ 증류수 100㎖에 5초, 30초, 10분, 60분간 교반 용해시키고, 이를 No.5C 여과지에 통과시켜 얻어진 용액을 KS L 9003 “석고의 화학 분석 방법”에 의거 용출된 SO3량을 정량적으로 측정하였다.
실험조건은 기건상태로 하였으며, 재령 90일까지 다이얼게이지에 의해 초기(1일)30분 간격, 후기(2일 이후) 1시간 간격으로 연속 측정하였다.
페이스트 유동성 및 경시변화는 KS L5220 “건조시멘트 모르터의 강도시험 방법”에 준하여, w/c=0.3, 고성능 감수제 1.3%(시멘트 중량비)를 첨가하여, 초기 800rpm(2분), 교반으로 혼련한 후, 다시 1분 혼련 하여 paste flow를 측정하였다.
대상 데이터
배연탈황석고는 충청남도 보령에 위치한 화력발전소에서 생산된 재료를 사용하였다. 배연탈황석고의 화학적 성분은 X선 형광분석 장치(X-ray Fluorescence)를 사용하여 확인하였고, 이를 Table 2에 나타내었다.
본 실험에 사용된 시멘트는 H사의 1종 보통포틀랜드 시멘트로 물리적 성질은 Table 1과 같다.
잔골재는 각기 다른 입도를 가진 모래를 KS F 2511 “골재에 포함된 잔 입자 시험방법” 기준에서 제안하는 표준입도에 만족하도록 조절하여 실험에 사용하였다. 시멘트 페이스트 및 모르타르의 제조에 사용된 배합수는 불순물이 혼입되지 않은 부산광역시의 상수도를 사용하였다.
시험체의 양생은 수중양생(25℃±1)으로 하였다.
잔골재는 각기 다른 입도를 가진 모래를 KS F 2511 “골재에 포함된 잔 입자 시험방법” 기준에서 제안하는 표준입도에 만족하도록 조절하여 실험에 사용하였다.
페이스트 flow cone은 Φ50×50mm의 minislump cone을 사용하였다.
이론/모형
각 석고의 형태별 시멘트의 응결시간은 KS L 5103 "길모어침에 의한 시멘트의 응결시간 시험방법“에 의거 측정하였다.
압축강도 시험은 KS F 5105 “시멘트 모르터의 압축강도 시험방법”에 준하여 w/c=0.485, 시멘트 모래비를 1:2.45로 고정한 후 60℃, 80℃, 100℃, 150℃의 열이력을 가지는 석고를 혼입한 몰탈을 제작하고, 이를 각각 5×5×5㎝각형 몰드에 성형하여 압축강도(재령3, 7, 28일)를 측정 하였다.
성능/효과
1) 본 연구에서 사용된 배연탈황석고는 천연석고와 매우 유사한 화학적 성분을 가지면서도, 높은 순도를 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서 유사한 화학적 조성을 가지는 배연탈황석고의 재활용을 적극적으로 고려할 필요성이 있다.
2) 배연탈황석고를 열처리하게 되면, 황산염의 용해속도를 촉진하는 것으로 나타났다. 이로 인한 초기 flow값의 감소는 없어, 활용성에는 문제가 없는 것으로 나타났으나, 종결시간은 다소간 빨라진 것으로 나타났다.
3) 배연탈황석고를 100℃ 이상의 온도로 열처리하게 되면 압축강도가 다소간 증가하는 것으로 나타났다. 또한 이러한 배연탈황석고를 혼입한 시멘트 페이스트의 경우, 높은 초기팽창율을 보여 이후의 수축거동에 더욱 효과적으로 대응할 수 있음을 알 수 있었다.
11MPa의 압축강도를 보여 가장 큰 압축강도를 보이는 것으로 나타났다. 7일강도의 경우에는 150℃로 건조처리된 모르타르가 가장 높은 압축강도인 31.09MPa를 보였으며, 100℃로 건조 처리된 석고를 활용한 모르타르 또한 30.79MPa로 다른 온도에서 열처리 된 탈황석고 혼입석고를 활용한 모르타르에 비해 높은 강도를 보이는 것으로 나타났다.
이는 각각 이수석고에서 반수석고로, 반수석고에서 무수석고로 전이되는 과정에서 발생한 반응이다. 각 153.71℃ 및 170.57℃ 구간에서의 중량 비율은 각각 85.0% 및 81.4%로 나타났다. 이론적으로 이수석고에서 반수석고 (CaSO4ㆍ2H2O → CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O) 및 무수석고로 변환 (CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O → CaSO4)되면서 발생하는 결합수의 손실로 각 온도에서의 중량감소율을 추정할 수 있는데, 153.
Figure 5에 나타난 페이스트 flow 값의 경우에는 초기 flow 값이 열처리 온도가 상승하면서 다소간 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 150℃에서 열처리된 배연탈황석고를 사용한 경우(반수석고로만 구성된 배연탈황석고) 초기 flow값이 100℃에서 열처리된 배연탈황석고 혼입 시멘트 페이스트에 비해 다소간 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 차이는 페이스트의 초기 flow 값에 영향을 줄 정도가 아닌 것을 확인할 수 있었으며, 배합과정 중 헛응결(false set)에 관련된 어떠한 증거도 확인할 수 없어, SO3 함유량 2.
그러나 150℃에서 열처리된 배연탈황석고를 사용한 경우(반수석고로만 구성된 배연탈황석고) 초기 flow값이 100℃에서 열처리된 배연탈황석고 혼입 시멘트 페이스트에 비해 다소간 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 차이는 페이스트의 초기 flow 값에 영향을 줄 정도가 아닌 것을 확인할 수 있었으며, 배합과정 중 헛응결(false set)에 관련된 어떠한 증거도 확인할 수 없어, SO3 함유량 2.3% 조건에서의 열처리는 페이스트의 초기 flow값에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
열처리 온도를 80℃까지 상승시켰을 때에도 이수석고의 피크만 관찰되었고, 100℃에 도달하였을 경우 다소간의 반수석고가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 150℃에 도달한 시험체는 거의 대부분의 이수석고가 반수석고로 변환된 것을 확인할 수 있었다. 이는 전형적인 천연석고의 패턴과 매우 유사하다고 볼 수 있다.
3) 배연탈황석고를 100℃ 이상의 온도로 열처리하게 되면 압축강도가 다소간 증가하는 것으로 나타났다. 또한 이러한 배연탈황석고를 혼입한 시멘트 페이스트의 경우, 높은 초기팽창율을 보여 이후의 수축거동에 더욱 효과적으로 대응할 수 있음을 알 수 있었다.
또한 이러한 페이스트들은 γ-CaSO4(무수석고: AG)를 혼입한 시멘트 페이스트의 거동과 매우 유사한 거동을 보이는 것을 확인하였다.
본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한 이를 적절하게 열처리하게 되면, 압축강도 및 건조수축에서의 개선효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 국내의 보령 화력발전소에서 생산된 배연탈황석고의 화학적 특성을 분석하고, 이를 이용하여 만든 시멘트 페이스트의 물성분석을 통하여, 배연탈황석고의 활용가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한 이를 적절하게 열처리하게 되면, 압축강도 및 건조수축에서의 개선효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
97MPa로 가장 높은 강도특성을 보이는 것으로 나타났다. 역시 100% 반수석고로 구성된 150℃로 건조 처리된 석고를 함유한 모르타르 또한 36.09MPa로 다른 시험체에 비해 높은 압축강도를 보이는 것을 알 수 있었다. 최종적으로, SO3 함유량 2.
Figure 2에 따르면, 본 실험에서 사용된 배연탈황석고는 거의 순수한 석고로 구성된 것으로 나타났다. 열처리 온도를 80℃까지 상승시켰을 때에도 이수석고의 피크만 관찰되었고, 100℃에 도달하였을 경우 다소간의 반수석고가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 150℃에 도달한 시험체는 거의 대부분의 이수석고가 반수석고로 변환된 것을 확인할 수 있었다.
이론적 추산치와의 차이가 발생한 이유는 배연탈황석고 내부에 존재하는 물분자량이 이론적인 화학에서 도출된 물분자량과 다소간의 차이를 보일 수 있기 때문이며, 다소간 존재하는 미량의 불순물의 영향 때문일 수도 있다. 이러한 점들을 종합적으로 고려해 볼 때, Figure 2 및 Figure 3의 데이터를 종합해 볼 때, 배연탈황석고는 천연석고와 매우 유사하며 상당히 높은 순도를 가지는 것으로 나타났다.
2) 배연탈황석고를 열처리하게 되면, 황산염의 용해속도를 촉진하는 것으로 나타났다. 이로 인한 초기 flow값의 감소는 없어, 활용성에는 문제가 없는 것으로 나타났으나, 종결시간은 다소간 빨라진 것으로 나타났다.
이론적으로 이수석고에서 반수석고 (CaSO4ㆍ2H2O → CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O) 및 무수석고로 변환 (CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O → CaSO4)되면서 발생하는 결합수의 손실로 각 온도에서의 중량감소율을 추정할 수 있는데, 153.71℃에서는 이론적으로 추산된 값(84.3%)과거의 유사한 85.0%의 중량감소를 보였으며, 170.57℃ 에서도 이론적으로 추산된 값(80.2%)에 거의 근접한 81.6%의 중량비율을 보였다.
09MPa로 다른 시험체에 비해 높은 압축강도를 보이는 것을 알 수 있었다. 최종적으로, SO3 함유량 2.3% 조건에서는 배연탈황석고를 온도처리를 하여, 일정량의 반수석도를 함유하도록 유도하는 것이 모르타르의 강도증진에 보다 유리한 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배연탈황석고의 특징은?
배연탈황석고는 화력발전소에서 연료가 연소되면서 발생된 황산화물을 흡수, 제거하는 공정에서 발생되는 산업 부산물로서 최근 석탄 화력발전소의 배출가스에 관련된 환경규제가 대폭 강화됨에 따라 생산량이 점차 증가하고 있다. 배연탈황석고는 자연에서 얻어지는 형태의 천연석고와 거의 유사한 화학적 특성을 지니기 때문에, 이를 재활용하게 되면, 주로 수입에 의존하는 천연석고의 훌륭한 대체재로서 활용할 수 있다. 본 연구에서는 국내의 보령 화력발전소에서 생산된 배연탈황석고의 화학적 특성을 분석하고, 이를 이용하여 만든 시멘트 페이스트의 물성분석을 통하여, 배연탈황석고의 활용가능성을 평가하고자 하였다.
배연탈황석고란?
배연탈황석고는 화력발전소에서 연료가 연소되면서 발생된 황산화물을 흡수, 제거하는 공정에서 발생되는 산업 부산물로서 최근 석탄 화력발전소의 배출가스에 관련된 환경규제가 대폭 강화됨에 따라 생산량이 점차 증가하고 있다. 배연탈황석고는 자연에서 얻어지는 형태의 천연석고와 거의 유사한 화학적 특성을 지니기 때문에, 이를 재활용하게 되면, 주로 수입에 의존하는 천연석고의 훌륭한 대체재로서 활용할 수 있다.
배연탈황석고의 기초적 물성을 분석 및 다양한 물리적 실험을 통한 결과는?
1) 본 연구에서 사용된 배연탈황석고는 천연석고와 매우 유사한 화학적 성분을 가지면서도, 높은 순도를 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서 유사한 화학적 조성을 가지는 배연탈황석고의 재활용을 적극적으로 고려할 필요성이 있다.
2) 배연탈황석고를 열처리하게 되면, 황산염의 용해속도를 촉진하는 것으로 나타났다. 이로 인한 초기 flow값의 감소는 없어, 활용성에는 문제가 없는 것으로 나타났으나, 종결시간은 다소간 빨라진 것으로 나타났다.
3) 배연탈황석고를 100℃ 이상의 온도로 열처리하게 되면 압축강도가 다소간 증가하는 것으로 나타났다. 또한 이러한 배연탈황석고를 혼입한 시멘트 페이스트의 경우, 높은 초기팽창율을 보여 이후의 수축거동에 더욱 효과적으로 대응할 수 있음을 알 수 있었다.
참고문헌 (6)
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