본 연구에서는, IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle: 석탄가스화 복합발전)에서 배출되는 용융 슬래그로 부터 지오폴리머를 제조하여 알칼리 활성화제의 몰농도, W/S 비(water/ solid ratio), 재령일에 따른 비중과 압축강도 등 물리적 특성을 분석함과 동시에 발포제인 Si 슬러지를 첨가하여 경량화 소재로서의 가능성을 고찰하였다. 특히 경량 지오폴리머의 강도 특성향상을 위하여 복합 활성화제 및 pre-curing 공정을 적용하였다. 단일 활성화제를 사용한 경량 지오폴리머의 압축 강도는 9.5 MPa이었으나, 복합 활성화제로 제조할 경우 2~5배 정도의 압축강도 증진 효과를 나타내었다. 더군다나, pre-curing을 실시한 경량 지오폴리머의 경우, pre-curing하지 않은 시편들에 비해 18~48 % 가량 높은 압축강도 값을 보였다. 본 연구에서 복합 활성화제와 pre-curing 공정의 도입으로 얻어진 경량 지오폴리머의 최고 압축강도는 40 MPa(3일 재령하여 밀도가 $1.83g/cm^3$인 시편)로서 시멘트 콘크리트에 필적하였다. XRD 결정상 분석과 SEM을 이용한 미세구조 분석을 통하여 지오폴리머 표면에서 C-S-H 겔(sodium silicatehydrate gel)의 모상에 꽃봉오리 모양의 zeolite 결정상이 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는, IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle: 석탄가스화 복합발전)에서 배출되는 용융 슬래그로 부터 지오폴리머를 제조하여 알칼리 활성화제의 몰농도, W/S 비(water/ solid ratio), 재령일에 따른 비중과 압축강도 등 물리적 특성을 분석함과 동시에 발포제인 Si 슬러지를 첨가하여 경량화 소재로서의 가능성을 고찰하였다. 특히 경량 지오폴리머의 강도 특성향상을 위하여 복합 활성화제 및 pre-curing 공정을 적용하였다. 단일 활성화제를 사용한 경량 지오폴리머의 압축 강도는 9.5 MPa이었으나, 복합 활성화제로 제조할 경우 2~5배 정도의 압축강도 증진 효과를 나타내었다. 더군다나, pre-curing을 실시한 경량 지오폴리머의 경우, pre-curing하지 않은 시편들에 비해 18~48 % 가량 높은 압축강도 값을 보였다. 본 연구에서 복합 활성화제와 pre-curing 공정의 도입으로 얻어진 경량 지오폴리머의 최고 압축강도는 40 MPa(3일 재령하여 밀도가 $1.83g/cm^3$인 시편)로서 시멘트 콘크리트에 필적하였다. XRD 결정상 분석과 SEM을 이용한 미세구조 분석을 통하여 지오폴리머 표면에서 C-S-H 겔(sodium silicate hydrate gel)의 모상에 꽃봉오리 모양의 zeolite 결정상이 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있었다.
In this study, a lightweight geopolymer was prepared using by slag discharged from IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) power plant and its physical properties, the density and compressive strength, were analyzed as a function of the concentration of alkali activators, W/S ratio and aging t...
In this study, a lightweight geopolymer was prepared using by slag discharged from IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) power plant and its physical properties, the density and compressive strength, were analyzed as a function of the concentration of alkali activators, W/S ratio and aging times. Also the possibility of applying it to lightweight materials by adding Si sludge as a foaming agent to the geopolymerg was investigated. In particular, a complex composition of alkali activator and a pre-curing process were applied to improve the strength properties of lightweight geopolymers. While the compressive strength of the lightweight geopolymer using a single activator was 9.5 MPa, the specimen made with a complex composition of alkali activator had compressive strength of 2~5 times higher. In addition, the lightweight geopolymer with pre-curing process showed a compressive strength value of 18~48 % higher than that of specimen made with no precuring process. In this study, by using a complex activator and a pre-curing process. the maximum compressive strength of lightweight geopolymer was obtained as 40 MPa (The specimen was aged for 3 days and had density of $1.83g/cm^3$), which is comparable to cement concrete. By analyzing the crystal phase and microstructure of geopolymers obtained in this study using by XRD and SEM, respectively, it was confirmed that the flower-bud-like zeolite crystal was homogeneously distributed on the surface of the C-S-H gel (sodium silicate hydrate gel) in the geopolymer.
In this study, a lightweight geopolymer was prepared using by slag discharged from IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) power plant and its physical properties, the density and compressive strength, were analyzed as a function of the concentration of alkali activators, W/S ratio and aging times. Also the possibility of applying it to lightweight materials by adding Si sludge as a foaming agent to the geopolymerg was investigated. In particular, a complex composition of alkali activator and a pre-curing process were applied to improve the strength properties of lightweight geopolymers. While the compressive strength of the lightweight geopolymer using a single activator was 9.5 MPa, the specimen made with a complex composition of alkali activator had compressive strength of 2~5 times higher. In addition, the lightweight geopolymer with pre-curing process showed a compressive strength value of 18~48 % higher than that of specimen made with no precuring process. In this study, by using a complex activator and a pre-curing process. the maximum compressive strength of lightweight geopolymer was obtained as 40 MPa (The specimen was aged for 3 days and had density of $1.83g/cm^3$), which is comparable to cement concrete. By analyzing the crystal phase and microstructure of geopolymers obtained in this study using by XRD and SEM, respectively, it was confirmed that the flower-bud-like zeolite crystal was homogeneously distributed on the surface of the C-S-H gel (sodium silicate hydrate gel) in the geopolymer.
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문제 정의
1만 톤의 용융 슬래그가 배출되기 시작하고 있어 향후 IGCC 용융 슬래그의 효과적인 자원화 기술 개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 CO2 발생량 저감을 위한 시멘트 대체 소재로서 IGCC 슬래그를 기반으로 한 지오폴리머를 제조하였으며, 산업 부산물인 Si 슬러지를 발포제로 사용하여 지오폴리머의 경량화 특성을 고찰하였다. 또한 지오폴리머의 강도 증진을 위하여 복합 활성화제 및 전양생 공정 적용에 따른 물성변화를 분석하였다.
본 연구에서는 석탄가스화 복합발전(IGCC)에서 부산물로 배출되는 용융 슬래그를 이용하여 친환경 무기계결합재인 지오폴리머를 제조하고 그 경량화 가능성을 분석하였다. IGCC 용융 슬래그는 Si/Al 비가 2.
제안 방법
경량 지오폴리머의 강도를 높이는 방안으로 본 연구에서는 첫째, 복합 활성화제의 사용 그리고 둘째, pre-curing 공정을 도입하였다. 알칼리 활성화제로 NaOH를 단독으로 사용하는 것 보다 물유리(sodium silicate: SS)를 혼합하면 더 많은 Si가 공급됨과 동시에 Eq.
본 연구에서는 CO2 발생량 저감을 위한 시멘트 대체 소재로서 IGCC 슬래그를 기반으로 한 지오폴리머를 제조하였으며, 산업 부산물인 Si 슬러지를 발포제로 사용하여 지오폴리머의 경량화 특성을 고찰하였다. 또한 지오폴리머의 강도 증진을 위하여 복합 활성화제 및 전양생 공정 적용에 따른 물성변화를 분석하였다.
용융 슬래그 지오폴리머의 유동성에 따른 최적 압축강도를 확인하기 위하여 알칼리 활성화제의 몰농도(M), W/S 비(Water/Solid ratio), 그리고 재령일(aging time)을 변수로 실험을 진행하였다. 경량 지오폴리머의 제조를 위해 발포제인 Si 슬러지 첨가량 역시 변수로 실험을 수행하였다.
용융 슬래그와 Si 슬러지 그리고 지오폴리머의 화학성분 분석과 결정상 분석을 위하여 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)와 XRD(DMAX2500, 8 KW, Rigaku, Japan) (MiniFlex II, Rigaku, Japan)를 각각 측정하였다. 제조된 지오폴리머 시험체의 압축강도는 UTM(UTM- 900NHSeries DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 측정하되, 3~5개 시편에 대한 측정 값을 평균하여 그래프 작성에 사용하였다.
대상 데이터
지오폴리머 반응을 위한 알칼리 활성화제는 NaOH(DaejungChemicals, 97 % purity, Korea)와 증류수를 혼합한 수용액을 사용하였으며, 경우에 따라서는 경량화 시편의 낮은 강도를 향상시키기 위하여 NaOH에 물유리를 50 wt% 혼합한 복합 활성화제를 사용하였다. 또한 경량 지오폴리머 제조에 필요한 발포제로서 반도체용 실리콘 웨이퍼 절단 공정에서 발생되는 Si 슬러지 분말을 사용하되, 분쇄 및 체가름을 통하여 106 μm 이하의 것만을 선별하여 사용하였다.
본 연구에 사용된 지오폴리머 원료는 국내 ‘S’ 발전소에서 운용중인 석탄가스화 복합발전(IGCC)에서 발생하는 IGCC 용융 슬래그(이하 용융 슬래그)를 사용하였다. 지오폴리머 반응을 위한 알칼리 활성화제는 NaOH(DaejungChemicals, 97 % purity, Korea)와 증류수를 혼합한 수용액을 사용하였으며, 경우에 따라서는 경량화 시편의 낮은 강도를 향상시키기 위하여 NaOH에 물유리를 50 wt% 혼합한 복합 활성화제를 사용하였다.
본 연구에 사용된 지오폴리머 원료는 국내 ‘S’ 발전소에서 운용중인 석탄가스화 복합발전(IGCC)에서 발생하는 IGCC 용융 슬래그(이하 용융 슬래그)를 사용하였다. 지오폴리머 반응을 위한 알칼리 활성화제는 NaOH(DaejungChemicals, 97 % purity, Korea)와 증류수를 혼합한 수용액을 사용하였으며, 경우에 따라서는 경량화 시편의 낮은 강도를 향상시키기 위하여 NaOH에 물유리를 50 wt% 혼합한 복합 활성화제를 사용하였다. 또한 경량 지오폴리머 제조에 필요한 발포제로서 반도체용 실리콘 웨이퍼 절단 공정에서 발생되는 Si 슬러지 분말을 사용하되, 분쇄 및 체가름을 통하여 106 μm 이하의 것만을 선별하여 사용하였다.
데이터처리
용융 슬래그와 Si 슬러지 그리고 지오폴리머의 화학성분 분석과 결정상 분석을 위하여 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)와 XRD(DMAX2500, 8 KW, Rigaku, Japan) (MiniFlex II, Rigaku, Japan)를 각각 측정하였다. 제조된 지오폴리머 시험체의 압축강도는 UTM(UTM- 900NHSeries DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 측정하되, 3~5개 시편에 대한 측정 값을 평균하여 그래프 작성에 사용하였다. 또한 지오폴리머의 표면 미세구조 분석을 위해 SEM(Scanning Electron Microscope, S-4800, HITACHI, Japan)을 사용하였다.
본 연구에서는 석탄가스화 복합발전(IGCC)에서 부산물로 배출되는 용융 슬래그를 이용하여 친환경 무기계결합재인 지오폴리머를 제조하고 그 경량화 가능성을 분석하였다. IGCC 용융 슬래그는 Si/Al 비가 2.25로 지오폴리머의 제조가 가능한 화학조성을 가지고 있으며, Si와 Al 이온들의 용출이 용이한 비정질 구조로 이루어진 것을 확인하였다. 알칼리 활성화제 농도 = 15 M, W/S비 = 0.
83; 3일 재령)로서 시멘트 콘크리트에 필적하였다. Si 슬러지를 첨가하지 않은 시편에서는 zeolite상과 calcium silicate hydrate 겔(C-S-H gel)상이 생성된 반면, Si 슬러지를 첨가하여 제조된 시편에서는 각 결정상의 피크강도가 낮아지며 비정질 상이 우세하게 나타났다. 그러나 pre-curing 유뮤에 따른 XRD 결정 피크 강도는 큰 변화를 나타내지 않았다.
그러나 pre-curing 유뮤에 따른 XRD 결정 피크 강도는 큰 변화를 나타내지 않았다. 경량 지오폴리머의 미세구조는 C-S-H 겔의 모상에 꽃봉오리 모양의 zeolite 결정상이 균일하게 분포되어 있음을 관찰할 수 있었다.
반면 발포제로서 Si 슬러지가 첨가된 경량 지오폴리머 시편의 압축강도는 5 MPa로 크게 낮아지는 것을 알 수 있었다. 단일 활성화제를 사용한 경량 지오폴리머의 압축 강도는 9.5 MPa이었으나, NaOH와 물유리가 혼합된 복합 활성화제로 제조할 경우 2~5배 정도의 압축강도 증진 효과를 나타내었다. 더군다나, 복합 활성화제 사용과 더불어 pre-curing을 실시한 경량 지오폴리머의 경우, pre-curing하지 않은 시편들에 비해 18~48 % 가량 높은 압축강도 값을 보였다.
5 MPa이었으나, NaOH와 물유리가 혼합된 복합 활성화제로 제조할 경우 2~5배 정도의 압축강도 증진 효과를 나타내었다. 더군다나, 복합 활성화제 사용과 더불어 pre-curing을 실시한 경량 지오폴리머의 경우, pre-curing하지 않은 시편들에 비해 18~48 % 가량 높은 압축강도 값을 보였다. 본 연구에서 경량 지오폴리머의 압축강도는 40 MPa(밀도 =1.
7 MPa의 압축강도 값을 나타내었다. 반면 발포제로서 Si 슬러지가 첨가된 경량 지오폴리머 시편의 압축강도는 5 MPa로 크게 낮아지는 것을 알 수 있었다. 단일 활성화제를 사용한 경량 지오폴리머의 압축 강도는 9.
6에 나타냈던 시편들 즉, 발포제인 Si 슬러지를 첨가하고 동시에 복합 활성화제를 사용하되,pre-curing 공정 도입 유무에 따른 경량 지오폴리머들에 대한 XRD 분석 결과이다. 발포제인 Si 슬러지를 첨가하지 않은 시편에서는 zeolite상과 calcium silicate hydrate겔(C-S-H gel; Ca6Si2O7SiO4(OH)2)상이 생성된 반면, Si 슬러지를 첨가하여 제조된 시편에서는 각 결정상의 피크강도가 낮아지면서 비정질 상이 우세하게 나타났다. 그러나 pre-curing 유무에 따른 XRD 피크 강도는 큰 변화를 나타내지 않았다.
통상 원료 내 Si/Al 비의 분석을 통해 지오폴리머 제조 가능성을 판단하는데 그 범위가 1~4일 때, 지오폴리머의 제조가 가능하다고 보고되고 있다[21-23]. 본 연구에 사용되는 IGCC 용융 슬래그의 XRF 분석 결과, 주성분은 SiO2, Al2O3, CaO로 확인되었으며, Si/Al 비가 2.25로 지오폴리머의 재료로서 사용하기에 적당하고 판단되었다. 한편 발포제로 사용한 Si 슬러지는 SiO2가 98.
Shoumkova 등은 지오폴리머 미세구조가 C-S-H 겔이 모상을 이루며, 꽃봉오리 모양의 zeolite 결정상이 모상 내 균일하게 분포되어 있는 형상이라고 보고한 바 있다[30]. 본 연구에서도 제조된 지오폴리머모상 내에 꽃봉오리 모양의 zeolite가 분포된 미세구조를 보였으며, 특히 pre-curing을 실시한 시편에서 zeolite 결정상이 더 크게 성장되었음을 관찰할 수 있었는데, 이는pre-curing 단계를 거치며 더 많은 Si, Al 이온이 용출되어 zeolite 결정상 합성을 촉진시킨 것으로 판단된다. Zeolite 결정의 형상은 Si 슬러지의 결정상과 비교해 보았을 때 뚜렷한 차이가 있었으나 더욱 확실한 결론을 내기 위해서는 추후 EDS 분석이 추가로 수행될 필요가 있다고 사료된다.
25로 지오폴리머의 제조가 가능한 화학조성을 가지고 있으며, Si와 Al 이온들의 용출이 용이한 비정질 구조로 이루어진 것을 확인하였다. 알칼리 활성화제 농도 = 15 M, W/S비 = 0.15인 조건으로 제조한 지오폴리머는 42.7 MPa의 압축강도 값을 나타내었다. 반면 발포제로서 Si 슬러지가 첨가된 경량 지오폴리머 시편의 압축강도는 5 MPa로 크게 낮아지는 것을 알 수 있었다.
Bakharev는 지오폴리머 제조 시 고온 양생 전에 상온에서 시편을 일정 시간 방치하는 공정, 소위pre-curing을 적용하면 시험체의 강도 증진에 매우 효과적이라고 보고하였다[20]. 이러한 연구 결과에 따르면 활성화제의 농도, 배합비, 양생 조건 및 방법 등에 의해서 지오폴리머의 강도가 다양하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.
25로 지오폴리머의 재료로서 사용하기에 적당하고 판단되었다. 한편 발포제로 사용한 Si 슬러지는 SiO2가 98.02 %로 주성분을 이루고 있으며, Al2O3를 소량 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
본 연구에서도 제조된 지오폴리머모상 내에 꽃봉오리 모양의 zeolite가 분포된 미세구조를 보였으며, 특히 pre-curing을 실시한 시편에서 zeolite 결정상이 더 크게 성장되었음을 관찰할 수 있었는데, 이는pre-curing 단계를 거치며 더 많은 Si, Al 이온이 용출되어 zeolite 결정상 합성을 촉진시킨 것으로 판단된다. Zeolite 결정의 형상은 Si 슬러지의 결정상과 비교해 보았을 때 뚜렷한 차이가 있었으나 더욱 확실한 결론을 내기 위해서는 추후 EDS 분석이 추가로 수행될 필요가 있다고 사료된다.
(1)에 보인 바와 같이 Si 슬러지는 알칼리활성화제와 반응하여 수소 가스를 발생시키는데, 수소가스는 지오폴리머 내부에서 포집되면서 팽창하여 시험체를 경량화 시키는 것으로 알려져 있다. 일반 경량 콘크리트의 경우 비중은 1.5~2.0 그리고 압축강도는 약 15MPa 이 요구되므로 본 연구에서 제조된 경량 지오폴리머는 그 압축강도를 향상시키기 위한 추가 공정이 필요할 것으로 판단되었다[26].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지오폴리머 반응은 어떤 과정으로 나타나는가?
지오폴리머 반응은 다음과 같은 단계에 걸쳐서 일어나는 것으로 알려져 있다. 먼저, 알루미나 규산염계 원료와 알칼리 활성화제가 반응하면 Si, Al 이온이 용출되고 이는 Si-O-Al 형태의 결합으로 구성되는 단량체(oligomer)를 형성하게 된다. 이 단량체들은 고온의 환경에서 축·중합 반응을 거치며 삼차원적인 구조를 형성하는데 이것들이 서로 결합하며 경화되어 지오폴리머로가 합성된다[15, 16]. P.
지오폴리머는 무엇인가요?
지오폴리머(geopolymer)는 알루미노 실리케이트계의 무기화합물로서 기존의 포틀랜드 시멘트에 비해 제조공정에서 CO2 발생이 거의 없고, 다양한 기능성을 나타내므로 최근 들어 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 지오폴리머 관련 연구는 1930년대 클링커(clinker)가 생성되지 않는 시멘트의 대체재 개발을 위해 시작되었으며, 1940년에 A.
석탄가스화 복합발전이 주목받고 있는 이유는?
기존 석탄 화력보다 효율은 높으면서도 공해 배출은 적어 친환경 청정발전기술로 주목 받고 있는 석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)의 경우, 발전과정에서 필연적으로 용융 슬래그가 발생되는데 국내에서도 2016년부터 연간 약 8.1만 톤의 용융 슬래그가 배출되기 시작하고 있어 향후 IGCC 용융 슬래그의 효과적인 자원화 기술 개발이 시급한 실정이다.
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