[국내논문]IGCC 용융 슬래그로 제조된 지오폴리머의 강도증진에 Pre-curing이 미치는 영향 Effects of pre-curing process on improvement of the compressive strength of IGCC-slag-based-geopolymer원문보기
본 연구에서는 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle; 석탄 가스화 복합 발전)에서 배출된 용융 슬래그(이하 용융 슬래그)를 이용한 지오폴리머의 제조 시 pre-curing 공정이 지오폴리머의 물성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. Pre-curing이란 고온양생으로 지오폴리머를 제조하기 전에, 성형체를 상온에서 일정 시간 방치하는 공정으로서, 시편의 강도를 높이는 효과가 있다고 알려져 있다. 따라서 본 실험에서는 pre-curing 조건에 따른 지오폴리머의 압축강도 특성을 측정하였으며, SEM과 XRD로 미세구조 및 결정상 변화를 관찰하였다. W/S 비율(water/solid ratio)은 사전 실험을 통해, 성형이 가능하면서 최대 지오폴리머 강도를 확보할 수 있는 0.26으로 결정하였으며, 자극제인 알칼리 용액의 농도는 15 M로 고정하였다. 상온에서 pre-curing을 0~27일 범위 내에서 실시한 결과, pre-curing 공정을 적용한 지오폴리머의 경우, 그렇지 않은 시편에 비해 압축강도가 36~87 % 증가하는 것을 확인하였다. Pre-curing 시킨 시편에서 XRD 측정 결과, C-S-H 겔(calcium silicate hydroxide gel) 상 발현이 촉진되었고 SEM을 이용한 미세구조 관찰 결과, 부정형의 zeolite 상이 더 많이 성장된 것이 관찰되었으며 이러한 상들의 생성이 강도 증진에 영향을 미친 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle; 석탄 가스화 복합 발전)에서 배출된 용융 슬래그(이하 용융 슬래그)를 이용한 지오폴리머의 제조 시 pre-curing 공정이 지오폴리머의 물성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. Pre-curing이란 고온양생으로 지오폴리머를 제조하기 전에, 성형체를 상온에서 일정 시간 방치하는 공정으로서, 시편의 강도를 높이는 효과가 있다고 알려져 있다. 따라서 본 실험에서는 pre-curing 조건에 따른 지오폴리머의 압축강도 특성을 측정하였으며, SEM과 XRD로 미세구조 및 결정상 변화를 관찰하였다. W/S 비율(water/solid ratio)은 사전 실험을 통해, 성형이 가능하면서 최대 지오폴리머 강도를 확보할 수 있는 0.26으로 결정하였으며, 자극제인 알칼리 용액의 농도는 15 M로 고정하였다. 상온에서 pre-curing을 0~27일 범위 내에서 실시한 결과, pre-curing 공정을 적용한 지오폴리머의 경우, 그렇지 않은 시편에 비해 압축강도가 36~87 % 증가하는 것을 확인하였다. Pre-curing 시킨 시편에서 XRD 측정 결과, C-S-H 겔(calcium silicate hydroxide gel) 상 발현이 촉진되었고 SEM을 이용한 미세구조 관찰 결과, 부정형의 zeolite 상이 더 많이 성장된 것이 관찰되었으며 이러한 상들의 생성이 강도 증진에 영향을 미친 것으로 분석되었다.
In this study, the effect of pre-curing process on the enhancement of mechanical properties of IGCC-slag-based-geopolymer was studied. Pre-curing is a process in which the green geopolymer is left at room temperature for a certain period of time prior to the high-temperature curing, and it is known ...
In this study, the effect of pre-curing process on the enhancement of mechanical properties of IGCC-slag-based-geopolymer was studied. Pre-curing is a process in which the green geopolymer is left at room temperature for a certain period of time prior to the high-temperature curing, and it is known as increasing the strength of a specimen. Therefore, in this experiment, the compressive strength of the geopolymers was measured according to various pre-curing conditions, and microstructure and crystal phase changes were observed by SEM and XRD, respectively. The W/S ratio was determined to be 0.26, which can offer the maximum geopolymer strength with easy molding ability, and the concentration of the alkali solution was 15 M. Pre-curing was performed at room temperature for 0 to 27 days. Compressive strength of the geopolymer made with pre-curing process increased by 36~87 % compared with the specimens made with no pre-curing process. Those improved compressive strength for the pre-cured geopolymer was confirmed owing to promotion effect of pre-curing process on generation of C-S-H gel and zeolite phases, which were analyzed using by XRD and SEM measurement.
In this study, the effect of pre-curing process on the enhancement of mechanical properties of IGCC-slag-based-geopolymer was studied. Pre-curing is a process in which the green geopolymer is left at room temperature for a certain period of time prior to the high-temperature curing, and it is known as increasing the strength of a specimen. Therefore, in this experiment, the compressive strength of the geopolymers was measured according to various pre-curing conditions, and microstructure and crystal phase changes were observed by SEM and XRD, respectively. The W/S ratio was determined to be 0.26, which can offer the maximum geopolymer strength with easy molding ability, and the concentration of the alkali solution was 15 M. Pre-curing was performed at room temperature for 0 to 27 days. Compressive strength of the geopolymer made with pre-curing process increased by 36~87 % compared with the specimens made with no pre-curing process. Those improved compressive strength for the pre-cured geopolymer was confirmed owing to promotion effect of pre-curing process on generation of C-S-H gel and zeolite phases, which were analyzed using by XRD and SEM measurement.
고온 양생 이후 aging(재령) 조건은 pre-curing 조건과 연계하여 변화를 주었다. Pre-curing 공정 조건에 따라 제조된 지오폴리머의 압축강도가 어떻게 변화하는지에 대해 알아보았다. 또한 향상된 시편의 압축 강도가 발현된 결정상 및 미세구조와 어떤 관계가 있는지 중점적으로 연구하고 분석하였다.
Pre-curing 공정 조건에 따라 제조된 지오폴리머의 압축강도가 어떻게 변화하는지에 대해 알아보았다. 또한 향상된 시편의 압축 강도가 발현된 결정상 및 미세구조와 어떤 관계가 있는지 중점적으로 연구하고 분석하였다.
제안 방법
본 연구에서는 최근 들어 큰 관심을 끌고 있는 석탄 발전의 한 형태인 IGCC(Integrated Gasification CombinedCycle; 석탄 가스화 복합 발전)으로부터 배출되는 용융 슬래그를 기반으로 하여 지오폴리머를 제조하였다. 통상 지오폴리머는 천연 원료인 메타카올린으로 제조되며, 이때 압축강도는 70 MPa 이상으로 보고되고 있으며[16],일반 석탄회로부터 제조된 경우에도 일반 시멘트 경화체이상의 강도 값이 보고된 바 있다[17].
26으로 비교적 높게 고정하고 실험을 진행하였다. 이러한 조건 하에서, 지오폴리머의 강도를 향상시키기 위하여, 지오폴리머 제조에 있어 필수불가결한 고온 양생 단계 전에 pre-curing 공정을 실시하였다. Pre-curing 이후 고온 양생은 모든 시편에 대해 70℃/1 day로 고정하였다.
본 연구 결과에 나타낸 그래프들은 3~5개의 시편들의 평균값으로 구하였으며, 압축 강도는 UTM(UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 측정하였다. 용융 슬래그 지오폴리머의 결정상 분석을 위해 XRD를 측정하였고 결합특성 분석을 위해 FT-IR(IFS66v-S, BRUKER, USA) 분석을 실시하였으며, 미세 구조 분석을 위해 SEM(Scanning Electron Microscope, S-4800, HITACHI, Japan)을 관찰하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 지오폴리머 원료는 국내 ‘T’ 발전소에서 운용중인 IGCC 시스템에서 발생하는 용융 슬래그(이하 용융 슬래그)를 사용하였다. 또한 지오폴리머 반응을 위한 알칼리 활성화제는 NaOH(DAEJUNG CHEMICALS, 97 %, Korea)와 증류수를 혼합한 수용액을 사용하였다.
본 연구에 사용된 지오폴리머 원료는 국내 ‘T’ 발전소에서 운용중인 IGCC 시스템에서 발생하는 용융 슬래그(이하 용융 슬래그)를 사용하였다. 또한 지오폴리머 반응을 위한 알칼리 활성화제는 NaOH(DAEJUNG CHEMICALS, 97 %, Korea)와 증류수를 혼합한 수용액을 사용하였다.
지오폴리머 시편 제조를 위해 용융 슬래그는 Planetary Ball Mill을 이용하여 분쇄 후 체가름하여 평균 입경 128 µm 이하의 것만을 원료를 사용하였다. 본 실험에서는 실제 공정에 적용할 것을 고려하여 플로우(flow) 값이 100 % 이상인 W/S 비를 찾기 위하여 사전 실험을 통해 Fig.
이론/모형
용융 슬래그의 화학 성분 분석을 위하여 XRF(XRF,ZSX Primus, RIGAKU, Japan)와 ICP-AES(OPTIMA 8300, Perkin-Elmer, USA)를 측정하였으며, 용융 슬래그의 결정상 분석을 위해 XRD(Rigaku MiniFlex2, Japan)를 측정하였다. 양생 전 용융슬래그 지오폴리머 페이스트의 유동성 측정은 ‘ASTM C 1437-07의 플로우 실험’을 기준으로 실시하였다. 본 연구 결과에 나타낸 그래프들은 3~5개의 시편들의 평균값으로 구하였으며, 압축 강도는 UTM(UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
그러므로 pre-curing을 거친 시편은 Si-O-Al 단량체가 증가하게 되고 이에 따라 고온양생 과정에서 중축합 반응이 더욱 활발히 발생하여 결국 기계적 강도를 증진시킬 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 IGCC용융 슬래그 지오폴리머를 제조할 때, pre-curing 단계를 도입함으로서 최대 87 %까지 강도가 증진되는 것을 확인하였다. pre-curing, 고온 양생 그리고 재령 시간을 합산한 총 반응시간이 3일, 7일 그리고 28일의 3가지 경우로 나누어 진행된 실험에서, pre-curing을 하지 않은시편에 비해 pre-curing을 실시한 지오폴리머가 3일의경우 32 %, 7일의 경우 35 % 그리고 28일의 경우 86 %로 나타나, pre-curing과 재령 시간이 충분할수록 강도증진 효과가 높은 것으로 나타났다.
본 연구에서는 IGCC용융 슬래그 지오폴리머를 제조할 때, pre-curing 단계를 도입함으로서 최대 87 %까지 강도가 증진되는 것을 확인하였다. pre-curing, 고온 양생 그리고 재령 시간을 합산한 총 반응시간이 3일, 7일 그리고 28일의 3가지 경우로 나누어 진행된 실험에서, pre-curing을 하지 않은시편에 비해 pre-curing을 실시한 지오폴리머가 3일의경우 32 %, 7일의 경우 35 % 그리고 28일의 경우 86 %로 나타나, pre-curing과 재령 시간이 충분할수록 강도증진 효과가 높은 것으로 나타났다. 그러나 과도한 pre-curing 시간과 짧은 재령 시간의 조합으로 제조된 시편은 오히려 강도 증진 효과가 나타나지 않았다.
FT-IR 분석 결과를 통해 pre-curing 시간의 변화가 유의미한 피크 변화를 나타내진 않았으나 Si-O-T 및 T-OH···H2O(T=Si, Al) 결합이 확연히 나타나 지오폴리머가 합성되었음을 확인할 수 있었다. XRD 상분석 결과, pre-curing을 실시한 시편에서 C-S-H 겔 상 피크가 미세하게나마 증가하였고, 미세구조 관찰 결과, pre-curing 공정이 적용된 지오폴리머에서 더 많은 부정형의 zeolite 상이 관찰되어, pre-curing이 그러한 상 생성을 촉진시켰고 그 결과 시편의 강도 증진에 영향을 미친 것으로 분석되었다.
후속연구
일반적인 지오폴리머 반응은 알칼리 활성화제에 의해 용출된 Si, Al 이온들이 단량체를 형성하고, 고온의 환경에서 단량체들이 축 · 중합 반응을 진행하며 결합함으로서 강도가 증진되는데, per-curing 공정을 실시하게 되면 고온 양생 전 Si, Al 이온용출량이 많아지게 되고 결국 축중합 반응이 가능한 단량체의 증가로 인한 강도 증진에 효과가 있는 것으로 판단된다[2,15]. Pre-curing 기간이 증가하여도 강도가 지속적으로 증가하지 않는 이유는 시간이 지날수록 성형체내부의 수분이 손실되어 단량체의 생성이 저하되기 때문이라고 판단되며 이에 대한 정확한 분석은 향후 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지오폴리머는 무엇으로 제조되는가?
본 연구에서는 최근 들어 큰 관심을 끌고 있는 석탄 발전의 한 형태인 IGCC(Integrated Gasification CombinedCycle; 석탄 가스화 복합 발전)으로부터 배출되는 용융 슬래그를 기반으로 하여 지오폴리머를 제조하였다. 통상 지오폴리머는 천연 원료인 메타카올린으로 제조되며, 이때 압축강도는 70 MPa 이상으로 보고되고 있으며[16],일반 석탄회로부터 제조된 경우에도 일반 시멘트 경화체이상의 강도 값이 보고된 바 있다[17]. 그러나, 본 연구에서 사용된 IGCC 용융 슬래그의 경우, 사전 연구에서 20 MPa 이하의 압축 강도 값이 발현됨으로서 상용화를 위해서는 더욱 높은 압축 강도 발현이 요구되었다.
포틀랜드 시멘트와 비교하였을 때, 지오폴리머의 장점은 무엇인가?
1978년 프랑스의 Davidovits는 알루미나 규산염계 원료를 알칼리 용액으로 활성화시켜 제올라이트와 유사한 구조를 가진 재료를 개발하였는데 이는 중합반응(polymerization)을 하여 고분자와 유사한 3차원 구조를 갖기 때문에 지오폴리머(geopolymer)로 명명하였다[3, 4]. 지오폴리머의 장점은 포틀랜드 시멘트와 비교하였을 때 생산 시 이산화탄소 배출량이 적은 것은 물론이고 높은 내열화성 및 내화학성, 높은 초기 강도 및 동결 융해 저항성, 그리고 균열,부식 및 풍화 저항성을 갖는 것으로 보고되고 있다[5,6]. 또한 알루미나 규산염계 지오폴리머는 앞서 언급한 석탄재나 고로슬래그와 같은 산업부산물을 원료로 제조 가능하기 때문에 폐자원의 재활용 측면에서도 매우 중요한 연구로 인식되고 있다[7].
지오폴리머 반응은 어떠한 단계를 거쳐 발생하는가?
지오폴리머 반응은 다음과 같은 단계를 거쳐서 일어난다. 먼저, 알루미나 규산염계 원료에 알칼리 활성화제가 접촉하면 Si, Al 이온이 용출되고 이로부터 Si-O-Al 형태의 결합으로 구성되는 단량체(oligomer)가 형성된다. 이 단량체들은 고온의 환경에서 축 · 중합 반응을 거치며 3차원적인 구조를 형성하는데 이것들이 서로 결합하며 경화되어 시멘트 같은 강도가 발현된다[8, 9]. J.
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