[논문]굴 패각 분말로부터 벌크 세라믹 구조체 제조

조경식; 이현권; 민재홍

doi:10.4150/kpmi.2016.23.3.221

굴 패각 분말로부터 벌크 세라믹 구조체 제조
Consolidation to Bulk Ceramic Bodies from Oyster Shell Powder 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.3, 2016년, pp.221 - 227

조경식 (금오공과대학교 신소재공학부) , 이현권 (금오공과대학교 신소재공학부) , 민재홍 (금오공과대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Waste oyster shells create several serious problems; however, only some parts of them are being utilized currently. The ideal solution would be to convert the waste shells into a product that is both environmentally beneficial and economically viable. An experimental study is carried out to investigate the recycling possibilities for oyster shell waste. Bulk ceramic bodies are produced from the oyster shell powder in three sequential processes. First, the shell powder is calcined to form calcium oxide CaO, which is then slaked by a slaking reaction with water to produce calcium hydroxide $Ca(OH)_2$. Then, calcium hydroxide powder is formed by uniaxial pressing. Finally, the calcium hydroxide compact is reconverted to calcium carbonate via a carbonation reaction with carbon dioxide released from the shell powder bed during firing at $550^{\circ}C$. The bulk body obtained from waste oyster shells could be utilized as a marine structural porous material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서 CaCO₃ 주성분인 굴 패각만으로 하소, 소화시키고 일축가압 성형한 후 탄산화 반응소결 하는 일련의 공정에 의해 안정한 벌크 세라믹스로 소재화하기 위한 기초실험 결과를 제시하여 조개 및 치어 양식장 인공어초 등 해양용 수중구조물로서 패각의 재활용 가능성을 높이고자 한다.
3%의 밀도이고, 수중 열충격 안정성을 갖는 다공성 세라믹스이다. 해양 폐기물인 굴 패각으로부터 벌크 세라믹스 소재화 연구에 의해 해양용 수중구조물로의 재활용 가능성을 제시하였다.

제안 방법

벌크 구조체는 무게를 치수 측정한 부피값으로 나눈 겉보기밀도 (apparent density), SEM을 이용 미세구조와 XRD를 이용 구성 결정상을 확인하였다. 그리고 수중 열충격 안정성을 확인하기 위하여 시편을 끓는 물에 3시간 이상 유지하고 형상 안정성을 관찰하였다.
벌크 구조체는 무게를 치수 측정한 부피값으로 나눈 겉보기밀도 (apparent density), SEM을 이용 미세구조와 XRD를 이용 구성 결정상을 확인하였다. 그리고 수중 열충격 안정성을 확인하기 위하여 시편을 끓는 물에 3시간 이상 유지하고 형상 안정성을 관찰하였다.
분말이 얻어진다. 분쇄한 패석분말을 powder bed로 사용하여 Ca(OH)₂건조 분말의 일축가압 성형체를 550℃에서 8시간 동안 소성하는 CO₂ 가스와의 반응소결에 의해 CaCO₃ 벌크 구조체를 제조하였다. 벌크 구조체는 87.
상업용 패각 분말뿐만 아니라 이후 공정의 분말의 미세구조는 FE-SEM (JSM-6500F, JEOL, Jpn)으로 관찰하였고, 구성 결정상은 X선 회절 분석기 (D/X-MAX 2000V, Rigaku Co. Jpn)을 이용, Cu-Kα, 40 kV, 200 mA, 2θ=10~90° 조건으로 측정 확인하였으며, 열분해 거동은 열중량분석기 (AutoTGA Q500, TA Instruments, USA)를 이용하여 공기 분위기에서 5℃/min로 가열하며 900℃까지 분석하였다.
건조 분말의 일축가압 성형체를 알루미나 도가니 내 적재하고 550℃에서 8시간 동안 소성하여 벌크 구조체를 제조하였다. 안정한 구조체를 얻기 위한 소성조건은 powder bed의 CaCO₃가 열분해 되어 방출하는 CO₂ 가스와 성형체 Ca(OH)₂가 탄산화 반응 (carbonation reaction)으로 CaCO₃가 유도되기에 적절한 온도인 550℃로 설정하고 8시간 유지하여 반응소결 (reaction sintering) 하였다. CO₂ 분위기에서 CaO의 탄산화 반응보다 Ca(OH)₂의 탄산화 반응에 의한 CaCO₃ 생성이 훨씬 활발하게 일어나며, 탄산화 반응속도는 Ca(OH)₂의 비표면적이 증가함에 따라 촉진된다고 보고되었다[26-30].
, Ltd, Korea)를 이용, 5℃/min로 승온하여 550℃에서 8시간 동안 유지하여 반응소결 (reaction sintering) 시키고 자연냉각 하였다. 이때 소화처리하지 않은 패각분말로부터 만든 성형체도 반응소결하여 비교하였다.
패각 분말을 하소한 다공질 CaO에 물을 넣고 볼밀 혼합하는 습식소화 (wet slaking)에 의해 더욱 미세한 분말응집체 수화물인 Ca(OH)₂ 소석회 (消石灰, slaked lime)를 석출되는 것을 미세구조 관찰 (그림 7)과 XRD 분석 (그림 8)을 통해 확인하였다.
패석 분말을 powder bed로 사용하여 Ca(OH)₂ 건조 분말의 일축가압 성형체를 알루미나 도가니 내 적재하고 550℃에서 8시간 동안 소성하여 벌크 구조체를 제조하였다. 안정한 구조체를 얻기 위한 소성조건은 powder bed의 CaCO₃가 열분해 되어 방출하는 CO₂ 가스와 성형체 Ca(OH)₂가 탄산화 반응 (carbonation reaction)으로 CaCO₃가 유도되기에 적절한 온도인 550℃로 설정하고 8시간 유지하여 반응소결 (reaction sintering) 하였다.

대상 데이터

벌크 세라믹 구조체를 제조하기 위해 사용한 패각분말은 상업용 (Chung Hae Co., Korea)으로 수백 µm에서 수 mm의 크기이고 표 1과 같이 탄산칼슘 주성분 이외에 무기물과 유기물이 다량 함유되어 있다.

성능/효과

6) 판상의 층상구조인 CaCO3가 수 µm 크기 둥근 형상의 작은 입자가 모여 있는 다공질 응집체의 CaO로 변화된 것을 확인할 수 있었다.
패각 분말의 열분해 특성을 알아보고자 열중량 분석한 결과 그림 4와 같이 630℃ 부근의 온도에서 약 45%의 무게감소가 일어났으며, 이는 탄산칼슘의 가열에 의해 산화칼슘으로 분해될 때의 이론적인 감소량과 거의 일치하며, 일부의 유기물의 감소가 더해진 것으로 판단된다. CaCO₃를 가열하면 400~900℃ 부근의 온도에서 흡열반응 (반응 엔탈피=178 KJ/mol)의 열분해에 의해 CO₂를 방출하고 CaO를 형성하는데, 열분해 반응에 의한 화학양론적 무게 감소는 (44.

후속연구

소화처리하지 않은 패각분말로부터 제조한 구조체는 그림 10의 (a)에서 보이는 바와 같이 입자들이 응집되기는 하였으나 치밀화가 일어나는 소결성을 갖지 않은 미세구조를 보이고 있다. 소화처리한 패각분말로 부터 제조한 벌크 구조체는 100℃ 끓는 물에서 3시간 이상 유지한 결과 구조체의 일부가 용출되어 분해되거나, 깨지는 현상은 발견되지 않았으며 이를 통해서 수중 열충격 안정성을 확인하였고 다공체의 활용성이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	패각은 분쇄하여 어떤 용도로 재활용되고있는가?	패각은 주성분이 CaCO3이며 분쇄하여 비료, 시멘트 충진재, 고분자 충진재, 종이 코팅제, 안료, 화장품 및 토양 개질재, 경량구조제 원료 등의 용도로 재활용되고 있다[3-8].
	굴 패각의 주성분은 무엇인가?	따라서 본 연구에서 CaCO3 주성분인 굴 패각만으로 하소, 소화시키고 일축가압 성형한 후 탄산화 반응소결 하는 일련의 공정에 의해 안정한 벌크 세라믹스로 소재화하기 위한 기초실험 결과를 제시하여 조개 및 치어 양식장 인공어초 등 해양용 수중구조물로서 패각의 재활용 가능성을 높이고자 한다.
	굴 패각이 환경오염 문제를 발생시키는 원인으로 자리잡는 이유는 무엇인가?	굴 패각 (貝殼, oyster shell)은 부피가 엄청나게 크며 재활용의 불균형으로 양식장 부근 해안에 무더기로 쌓여지고 있다. 무단 투기 패각에 묻어있는 내용물의 부패로 악취 발생, 플랑크톤 생장 억제 및 패각으로 갯벌의 고형화에 의한 연안 생태계 파괴 등 해안의 환경오염 문제를 발생시키고 있다. 우리나라에서도 매년 약 30만 톤이 발생하는 굴 패각의 2/3 정도는 재활용 되고 있으나, 재활용의 양적 한계로 나머지 처리되지 못하는 1/3의 굴 패각은 해안가 사업장 주변 및 공유수면에 임시 매립되고 있다[1, 2].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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