[논문]레미콘 회수수를 이용한 침강성 탄산칼슘 제조에 관한 연구

신재란; 김재강; 김해기; 강호종

doi:10.12925/jkocs.2016.33.2.232

[국내논문] 레미콘 회수수를 이용한 침강성 탄산칼슘 제조에 관한 연구
Study on preparation of precipitated calcium carbonate using recycling water of ready-mixed Concrete 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.33 no.2, 2016년, pp.232 - 238

신재란 ((주)애니텍 기술연구소) , 김재강 ((주)애니텍 기술연구소) , 김해기 ((주)애니텍 기술연구소) , 강호종 ((주)아이케이)

초록
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본 연구에서는 액-액 반응에 의한 액상탄산화법을 이용하여 탄산칼슘을 제조하였다. MEA를 사용하여 습식화학수법의 셔틀메카니즘을 도입하였다. MEA 30% 수용액에 고농도 이산화탄소(A)와 배기가스(B)를 사용하여 이산화탄소를 포집하였으며, 액상탄산화과정을 통해 슬러지 mg 당 0.35 mg의 이산화탄소를 고정하였다. 최종생성물의 SEM 분석결과 탄산칼슘의 구조는 calcite가 혼합되어 있으나 대부분 구형 vaterite가 생성되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a liquid carbonation method was applied for producing precipitate calcium carbonate by liquid-liquid reaction. Also a shuttle mechanism of wet chemical absorption using MEA was utilized. The high concentration $CO_2$(A) and exhaust gas(B) was used for collecting carbon dioxide in the 30% MEA aqueous solution, and $CO_2$ was fixed with rate of 0.35 mg of $CO_2$ per mg of sludge through the liquid carbonation process. It was found from SEM data that calcium carbonate was mainly made up with spherical vaerite with the mixing of a small quantity of calcite.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 산업부산물 중 하나인 레미콘 회수수에 액상탄산화법을 이용하여 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘을 제조하기 위한 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 레미콘 회수수내에 포함된 Ca 성분을 질산으로 용출하여 액-액 반응인 direct-CO₂ bubbling 방식에 1차아민인 Monoethanolamine(MEA) 수용액을 이용하여 습식 화학 흡수단계를 거쳐 CaCO₃를 제조하고자 하였다.
32%로 높은 비율의 CaO를 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 물리적 교반을 통해 용출되는 양은 극히 적어 상징수를 활용한 액상탄산화시 탄산칼슘의 회수에는 무리가 있기 때문에 HNO₃을 이용한 슬러지에 포함된 Ca 성분을 화학적으로 용출하고자 하였다.

제안 방법

또한 열분석결과 600∼800oC 사이 탈탄산화에 의해 CaCO3가 CaO와 CO2로 분해되는 것을 통해 침강성 탄산칼슘의 생성을 확인할 수 있었으며, 이를 토대로 슬러지의 액상탄산화를 통해 슬러지 mg 당 0.35mg 이상의 이산화탄소를 고정하였다.
슬러지에 포함된 Ca 성분을 용출하기 위하여 폐기물 공정시험방법 중 용출시험방법에 의거하여 용출을 진행하였다. 또한 용출조건의 최적화를 통한 Ca 성분을 극대화를 위하여 용출은 슬러지 초기 pH보다 1.5로 낮추어서 실험을 진행하였다. Table 2는 용출시험방법을 기준으로 4 hr 동안 교반 후 여과장치를 통해 고액분리가 진행된 용출상징수의 ICP 분석결과로, 슬러지의 함량이 증가할수록 Ca²⁺가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구는 액상탄산화 이전 단계로 이산화탄소의 이온화를 위하여 알칼리용액인 MEA 30% 수용액을 이용한 화학적 흡수시험을 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 레미콘 회수수 속에는 CaO를 다량 함유하고 있어 이를 이용하여 탄산칼슘 합성을 진행하였다. Table 1은 레미콘 회수수(pH 12 이상)의 물리적 교반 후 여과장비를 이용해 분리된 상징수와 슬러지에 포함된 Ca의 함량을 ICP와 XRF를 통해 분석한 결과이다.
본 연구에서는 참여기관인 IK사 부지에 시제품을 구성하여 공급받은 레미콘회수수를 상징수와 슬러지로 분리하여 슬러지 비율에 따른 실험을 진행하고자 슬러지 비율이 30%일때는 (S3), 50%일 때는 (S5), 70%일 때는 (S7)로 정하였다. 비율별로 나누어진 회수수 1L를 대정화금 60% 질산(HNO₃)을 투입하여 4 hr동안 교반하여 Ca 성분을 충분히 용출시켜준다.
, Direct Reading Echelle ICP) 장비를 통해 상징수 내 포함된 양이온의 농도를 분석하였다. 슬러지 비율에 따라 액상탄산화 후 건조된 최종 생성물인 침강성 탄산칼슘에 대한 결정상 분석은 FE-SEM(JEOL, JSM-6500)을 사용하였으며 열분석은 TGA/SDT(Q5000 IR/Q600, TA) 장비를 통해 흡열반응과 무게감량의 관찰을 통해 CaCO₃의 생성 여부를 분석하였다.
슬러지에 포함된 Ca 성분을 용출하기 위하여 폐기물 공정시험방법 중 용출시험방법에 의거하여 용출을 진행하였다. 또한 용출조건의 최적화를 통한 Ca 성분을 극대화를 위하여 용출은 슬러지 초기 pH보다 1.
용출 전·후의 슬러지 내 Ca 함량은 XRF (S4, BRUKER)를 이용하여 측정하였으며, 여과된 상징수는 ICP (LEEMANABS Inc., Direct Reading Echelle ICP) 장비를 통해 상징수 내 포함된 양이온의 농도를 분석하였다.
아민을 이용한 이산화탄소 흡수에 있어서 아민은 1차 아민(Monoethanolamine, MEA)을 흡수제로 선정하였다. 이때 흡수반응의 영향을 알아보기 위하여 99.99%의 고농도 이산화탄소(Sample-A)와 가솔린을 연료로 사용하는 소형발전기에서 나오는 배기가스(Sample-B)를 버블링하여 주입하였으며, 상온, 상압의 조건에서 포화시켰다. 이산화탄소가 포화 흡수된 MEA 수용액(30 wt.
이산화탄소 고정화에 있어 기존의 고온, 고압 공정과 달리 이산화탄소 전환을 위해 MEA를 이용한 습식화학흡수법의 셔틀메카니즘 도입을 통해, MEA가 빠르게 Ca²⁺와 같은 금속양이온에 CO₃^2-을 전달하는 메카니즘을 유도하여 기존의 높은 에너지 투입을 최소화한 공정 즉, 침강성 탄산칼슘 제조방법 중 액-액 반응법을 기초로한 액상탄산화기법을 도입하였다.
99%의 고농도 이산화탄소(Sample-A)와 가솔린을 연료로 사용하는 소형발전기에서 나오는 배기가스(Sample-B)를 버블링하여 주입하였으며, 상온, 상압의 조건에서 포화시켰다. 이산화탄소가 포화 흡수된 MEA 수용액(30 wt.%)은 앞서 분리한 용출상징수에 1:1비율로 주입하여 액상탄산화에 의한 침강성 탄산칼슘의 생성을 확인하였다. 화학반응에 의해 생성된 탄산칼슘을 여과를 통해 회수한 다음 80 ℃의 온도범위에서 건조함으로 최종생성물인 CaCO₃를 회수하였다.
%)은 앞서 분리한 용출상징수에 1:1비율로 주입하여 액상탄산화에 의한 침강성 탄산칼슘의 생성을 확인하였다. 화학반응에 의해 생성된 탄산칼슘을 여과를 통해 회수한 다음 80 ℃의 온도범위에서 건조함으로 최종생성물인 CaCO₃를 회수하였다.

대상 데이터

아민을 이용한 이산화탄소 흡수에 있어서 아민은 1차 아민(Monoethanolamine, MEA)을 흡수제로 선정하였다. 이때 흡수반응의 영향을 알아보기 위하여 99.
칼슘공급원으로는 산업현장에서 발생한 레미콘 회수수의 상징수와 슬러지 비율에 따라 실험을 진행하였으며, 질산(HNO₃) 60%을 통해 슬러지에 포함된 다량의 Ca²⁺이온을 용출하여 활용하였다. 물리적 교반 후 고액분리를 통해 얻어진 상징수의 경우, (A-S) 559 ppm, (B-S) 745 ppm의 Ca 성분을 함유하고 있으며, 슬러지의 경우 CaO형태로 (A-S) 46.

성능/효과

2는 MEA 농도별 pH 변화와 이산화탄소 흡수에 의한 용출/탄산화 반응에 따른 pH 변화를 나타내었다. MEA 30% 수용액에 고농도 이산화탄소(99.99%) 또는 배기가스를 이용하여 이산화탄소를 흡수시켰을 때 전체적으로 pH 12 이상으로 강알칼리성을 나타내었으며, 용출 및 탄산화 과정에 의해 pH 8 전후로 감소한 것을 확인할 수 있었다.
상징수의 경우, 이산화탄소 흡수 방법에 따라 고농도의 CO₂를 사용할 A 회수수의 상징수(A-S)는 559 ppm, 배기가스를 흡수할 B 회수수의 상징수(B-S)는 745 ppm의 Ca²⁺ 이온을 함유하고 있었다. 그리고 고액분리를 통해 회수한 슬러지의 경우, A 회수수의 슬러지(A-S)는 46.99% B 회수수의 슬러지(B-S)는 47.32%로 높은 비율의 CaO를 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 물리적 교반을 통해 용출되는 양은 극히 적어 상징수를 활용한 액상탄산화시 탄산칼슘의 회수에는 무리가 있기 때문에 HNO₃을 이용한 슬러지에 포함된 Ca 성분을 화학적으로 용출하고자 하였다.
은 최종생성물인 CaCO₃의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 그림과 같이 고농도의 이산화탄소를 이용한 (A)의 경우 슬러지의 양이 많아질수록 Calcite의 결정구조가 줄어들고 탄산칼슘 결정구조 중 준 안정상인 Vaterite의 결정구조가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 (B)의 경우는 전체적으로 Vaterite을 유지하며 슬러지의 양이 증가할수록 결정의 크기가 증가하였다.
또한 용출 상징수와의 액상탄산화 진행 후 pH 8 전·후를 유지하는 것이 확인되었다.
레미콘 회수수를 폐기물 공정시헙방법 중 하나인 용출시험방법을 이용하여 Ca 성분을 회수할 경우 슬러지의 비율이 증가할수록 용출상징수에 Ca 성분이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이온을 용출하여 활용하였다. 물리적 교반 후 고액분리를 통해 얻어진 상징수의 경우, (A-S) 559 ppm, (B-S) 745 ppm의 Ca 성분을 함유하고 있으며, 슬러지의 경우 CaO형태로 (A-S) 46.99% (B-S) 47.32%를 포함하고 있는 것을 확인하였다.
즉, 용출 상징수에 포함된 Ca²⁺ 이온과 Pure한 이산화탄소(A)와 불순물이 가득한 배기가스 이산화탄소(B)가 포화 흡수된 MEA 수용액의 CO₃^2-와의 화학적 반응에 의해 CaCO₃로 전환됨에 따라 Ca 농도가 감소한 것이다. 용출상징수와의 액상탄산화 후 불순물의 영향 및 슬러지 양의 관계없이 99% 이상 전환된 것을 확인할 수 있었다.
이산화탄소 흡수 전·후의 MEA 30% 수용액과 용출상징수와의 액상탄산화 후 pH변화를 확인한 결과 pH 12 이상 이였으며, 이산화탄소와의 반응으로 pH 8 정도로 중화되는 것을 확인하였다.
최종생성물인 CaCO₃의 SEM 분석결과 calcite의 형상이 조금 섞여 있지만 주로 vaterite의 형상을 가지는 것을 확인하였다. 또한 열분석결과 600∼800^oC 사이 탈탄산화에 의해 CaCO₃가 CaO와 CO₂로 분해되는 것을 통해 침강성 탄산칼슘의 생성을 확인할 수 있었으며, 이를 토대로 슬러지의 액상탄산화를 통해 슬러지 mg 당 0.

후속연구

본 연구를 통해 산업부산물의 재활용 및 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 액상탄산화 과정을 통하여 포집 및 고정함으로 환경 친화적인 기술을 이용하였으며 생성된 침강성 탄산칼슘을 산업자원으로 재활용 할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모사가스를 이용한 CO2 저감량이 배기가스를 이용한 CO2 저감량 보다 낮은 이유는 무엇인가?	배기가스를 이용한 CO2 저감량 보다 모사가스를 이용한 CO2 저감량이 오히려 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 배기가스를 포집하는 단계에서 발생하는 열로 인하여 온도가 증가함으로 CO2 포집양이 증가하는 것으로 판단되어 진다.
	CO2 저감법에는 무엇이 있는가?	2005년부터 2012년까지 대기 중 이산화탄소 농도는 387 ppm에서 400 ppm까지 꾸준히 증가해왔으며, 2000년대 대비 2030년까지 25~90% 증가할 것이라고 전망되고 있다 [3]. 각 국가별 실정에 맞는 CO2 저감법을 연구 중이며, 기술로는 흡수법, 흡착법, 생물학적 고정화, 막분리법 등이 있다. 각 기술별 장단점이 있지만, 배출되는 CO2 중 보다 많은 양을 줄이기 위해서는 발전소, 철강산업 그리고 시멘트산업 등과 같은 대규모 발생원에서 배출되는 CO2를 저감하는 것이 효율적이다 [4].
	레미콘 회수수는 무엇인가?	콘크리트의 제조 및 운반에 사용되는 기기와 장비를 세척하는 과정에서 발생한 세척수에서 골재를 제거한 산업부산물을 레미콘 회수수라고 한다 [6]. 레미콘 회수수내에는 슬러지와 상징수로 구분되어 있으며, 상징수의 경우 시멘트에서 용출한 수산화알칼리 물질을 다량 포함하고 있다 [7].

참고문헌 (13)

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상세보기
J. G. Shim, J. H. Kim, K. R. Jang and H. M. Eum, Absorption characteristics of MEA with carbon dioxide from the real flue gas using a poilt plant, J. of KSEE, 25(12) 1557-1563 (2003).
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K. S. Kwon and D. W. Ryu, Evaluation of strength properties of mortar by main material as sludge solids of ready mixed concrete recycling water, J. of Korea Architectural institute 33(1) 475-476 (2013).
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J. H. Jung, A Study on the Cubic Zirconia Single Crystal Growth using Aragonite Calcium Carbonate, Dongshin University, Ph. D. Dissertation (2013).
H. S. Park, Formation behavior of precipitated calcium carbonate polymorphs following nucleation rate, Inha University, Master's Thesis (2005).

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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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