제강 환원슬래그(steelmaking reduction slag)를 출발물질로 사용하여 다양한 농도의 $H_2SO_4$, $NH_4NO_3$(0.3, 0.5, 0.7, 1 M) 용액, 반응온도 $100^{\circ}C$와 $150^{\circ}C$의 조건에서 Ca 용출 및 탄산화 실험을 실시하였다. 양이온 용출과 탄산화 반응시간은 각각 2시간 및 1시간이었으며 탄산화 효율 증대를 위해 pH는 약 12로 조절하였고 $CO_2$의 부분압은 10 bar이었다. TG 분석결과로부터 탄산화율을 계산한 결과, $H_2SO_4$ 0.5 M과 반응온도 $150^{\circ}C$의 실험 조건에서 약 86%의 고정화율이 관찰되었으나 이 이상의 농도에서는 탄산화율은 급격히 감소하였다. 그러나 $NH_4NO_3$용액을 사용한 결과, 산의 농도가 증가함에 따라 탄산화율도 비례적으로 증가하여 1 M 농도에서 약 93%의 탄산화율이 관찰되었다. 따라서 제강 환원슬래그를 사용한 탄산화반응은 $H_2SO_4$보다는 $NH_4NO_3$용액을 사용할 경우 유리한 것으로 분석되었다. SEM 분석결과, 합성된 아라고나이트는 나무토막 형태(wood piece shape), 둥근형태(round shape), 꽃모양(flower shape)으로 관찰되었으며, 방해석은 결정면이 잘 발달된 능면체형(rhombohedral shape)의 전형적인 형태로 확인되었다.
제강 환원슬래그(steelmaking reduction slag)를 출발물질로 사용하여 다양한 농도의 $H_2SO_4$, $NH_4NO_3$(0.3, 0.5, 0.7, 1 M) 용액, 반응온도 $100^{\circ}C$와 $150^{\circ}C$의 조건에서 Ca 용출 및 탄산화 실험을 실시하였다. 양이온 용출과 탄산화 반응시간은 각각 2시간 및 1시간이었으며 탄산화 효율 증대를 위해 pH는 약 12로 조절하였고 $CO_2$의 부분압은 10 bar이었다. TG 분석결과로부터 탄산화율을 계산한 결과, $H_2SO_4$ 0.5 M과 반응온도 $150^{\circ}C$의 실험 조건에서 약 86%의 고정화율이 관찰되었으나 이 이상의 농도에서는 탄산화율은 급격히 감소하였다. 그러나 $NH_4NO_3$용액을 사용한 결과, 산의 농도가 증가함에 따라 탄산화율도 비례적으로 증가하여 1 M 농도에서 약 93%의 탄산화율이 관찰되었다. 따라서 제강 환원슬래그를 사용한 탄산화반응은 $H_2SO_4$보다는 $NH_4NO_3$용액을 사용할 경우 유리한 것으로 분석되었다. SEM 분석결과, 합성된 아라고나이트는 나무토막 형태(wood piece shape), 둥근형태(round shape), 꽃모양(flower shape)으로 관찰되었으며, 방해석은 결정면이 잘 발달된 능면체형(rhombohedral shape)의 전형적인 형태로 확인되었다.
Mineral carbonation for the storage of carbon dioxide is a CCS option that provides an alternative for the more widely advocated method of geological storage in underground formation. Carbonation of magnesium- or calcium-based minerals, especially the carbonation of waste materials and industrial by...
Mineral carbonation for the storage of carbon dioxide is a CCS option that provides an alternative for the more widely advocated method of geological storage in underground formation. Carbonation of magnesium- or calcium-based minerals, especially the carbonation of waste materials and industrial by-products is expanding, even though total amounts of the industrial waste are too small to substantially reduce the $CO_2$ emissions. The mineral carbonation was performed with steelmaking reduction slag as starting material. The steelmaking reduction slag dissolution experiments were conducted in the $H_2SO_4$ and $NH_4NO_3$ solution with concentration range of 0.3 to 1 M at $100^{\circ}C$ and $150^{\circ}C$. The hydrothermal treatment was performed to the starting material via a modified direct aqueous carbonation process at the same leaching temperature. The initial pH of the solution was adjusted to 12 and $CO_2$ partial pressure was 1MPa for the carbonation. The carbonation rate after extracting $Ca^^{2+}$ under $NH_4NO_3$ was higher than that under $H_2SO_4$ and the carbonation rates in 1M $NH_4NO_3$ solution at $150^{\circ}C$ was dramatically enhanced about 93%. In this condition well-faceted rhombohedral calcite, and rod or flower-shaped aragonite were appeared together in products. As the concentration of $H_2SO_4$ increased, the formation of gypsum was predominant and the carbonation rate decreased sharply. Therefore it is considered that the selection of the leaching solution which does not affect the starting material is important in the carbonation reaction.
Mineral carbonation for the storage of carbon dioxide is a CCS option that provides an alternative for the more widely advocated method of geological storage in underground formation. Carbonation of magnesium- or calcium-based minerals, especially the carbonation of waste materials and industrial by-products is expanding, even though total amounts of the industrial waste are too small to substantially reduce the $CO_2$ emissions. The mineral carbonation was performed with steelmaking reduction slag as starting material. The steelmaking reduction slag dissolution experiments were conducted in the $H_2SO_4$ and $NH_4NO_3$ solution with concentration range of 0.3 to 1 M at $100^{\circ}C$ and $150^{\circ}C$. The hydrothermal treatment was performed to the starting material via a modified direct aqueous carbonation process at the same leaching temperature. The initial pH of the solution was adjusted to 12 and $CO_2$ partial pressure was 1MPa for the carbonation. The carbonation rate after extracting $Ca^^{2+}$ under $NH_4NO_3$ was higher than that under $H_2SO_4$ and the carbonation rates in 1M $NH_4NO_3$ solution at $150^{\circ}C$ was dramatically enhanced about 93%. In this condition well-faceted rhombohedral calcite, and rod or flower-shaped aragonite were appeared together in products. As the concentration of $H_2SO_4$ increased, the formation of gypsum was predominant and the carbonation rate decreased sharply. Therefore it is considered that the selection of the leaching solution which does not affect the starting material is important in the carbonation reaction.
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문제 정의
저감효과는 물론 부산물인 탄산염 광물자원(탄산칼슘)을 확보 할 수 있다는부과적인 효과가 기대된다. 따라서 본 연구에서는 산의 세기가 다른 종류의 산을 사용하여 탄산화효율을 비교하고 경제적인 광물탄산화를 수행하고자 하였다.
제강 환원슬래그를 용출용매로서 약산성 용액인 질산암모늄(NH4NO3)을 다양한 농도로 사용하여 Ca이온을 용출시킴으로서 경제적인 광물탄산화를 위한 실험을 수행하고 광물탄산화 효율성을 관찰하고자 하였다. 질산암모늄은 용액 내에서 제강 환원슬래그의 Ca이온과 반응하여 용해성 질산칼슘[Ca(NO3)2]과 NH3이온이 형성되며, 주입된 CO2 가스는 Ca이온과 반응하여 CaCO3가 침전되는 반응이 진행된다.
제안 방법
합성상의 형태분석은 FE-SEM(S-4700, Hitach)을사용하였다. SEM 분석은 시료를 카본테이프에 붙여서 60oC에서 10분정도 건조 한 후, 오소늄(Osomium)코팅을하여, 전자빔 가속전압 10 keV의 조건으로 분석하였다.
고로 환원슬래그는 용매 H2SO4(0.3, 0.5, 0.7, 1 M) 및 NH4NO3(0.5, 0.7, 1 M)와 함께 50 g/L의 고액비로고온 고압 반응용기에 넣은 후, 100°C 및 150°C에서 2 hr 동안 각각 용출실험을 하였다.
광물탄산화반응은 수정된 직접탄산화법으로 수행하였으며, 출발물질로 사용된 슬래그의 크기는 ＜20 μm 이었다.
다양한 농도의 NH4NO3에서 제강 환원슬래그의 Ca 이온을 용출시킨 후 탄산화반응을 실시한 결과 상당히 양호한 탄산염광물이 합성되었으므로, 반응물의 결정도에 따른 금속이온 결합 형태를 확인하기 위하여 FTIR 분석을 실시하였다(Fig. 8). NH4NO3 0.
사용된 반응용기는 ‘cold seal’ 타입의 반응기로서 온도 조절부(temperature control part), 교반부(stirring part), 반응용기(vessel part)로 구성되어있으며, 고압의 조건하에서도 반응물질 원활히 그리고 연속적으로 혼합되도록 일정한 속도로 교반하였다(Fig. 1).
제강 환원슬래그는 반응온도 100oC와 150oC의 조건에서, H2SO4 및 NH4NO3를 이용하여 Ca2+을 용출시 킨 후 탄산화 반응을 실시하였다. 탄산화 반응물에 대한 XRD 분석결과는 Fig.
제강 환원슬래그를 사용하여 방해석을 수열조건에서 합성하기 위하여 고온 고압 반응용기(autoclave)를 사용하였다. 사용된 반응용기는 ‘cold seal’ 타입의 반응기로서 온도 조절부(temperature control part), 교반부(stirring part), 반응용기(vessel part)로 구성되어있으며, 고압의 조건하에서도 반응물질 원활히 그리고 연속적으로 혼합되도록 일정한 속도로 교반하였다(Fig.
출발물질로 사용한 슬래그의 화학조성은 ICPAES(JY 38 Plus, France Jobin Yvon)을 사용하여 확인하였다. 합성결과물은 흑연 모노크로메이터가 장착된 Analytical X-ray B.
출발물질인 제강 환원슬래그를 사용하여 다양한 농도의 산(H2SO4: 0.3, 0.5, 0.7, 1 M과 NH4NO3 : 0.5,0.7, 1 M)과 반응온도 100oC, 150oC 조건에서 알칼리용출실험을 하였다.
탄산화 반응물의 화학적 결합 및 결합특성을 조사하기위해 적외선 분광기(Travel-IR, SensIR Technologies Co.)를 사용하였으며, ‘KBr tablet’은 KBr 150 mg에시료 1 mg으로 평량하여 아게이트 몰탈에서 충분히 혼합시킨 후, 9 kg/cm3의 압력 하에서 성형, 제조하였다.
용출 실험 완료 후반응용기 덮개에 설치된 purge valve를 통해 CO2 가스를 1 MPa 주입하였다. 탄산화 반응의 효율을 높이기 위해 NaOH(OCI company Ltd.)와 NH4OH를 10 ml/min의 속도로 liquid pump(LabAllianceTM SeriesIII Digital Pump)를 사용하여 주입하여 pH를 12로 조절하였다. 탄산화 반응온도는 100~150oC에서 실시하였으며 반응시간은 1시간이었다(Fig.
합성결과물은 흑연 모노크로메이터가 장착된 Analytical X-ray B.V. X’ pert MPD(Phillips)의 기종을 사용하여 40 kv와 25 mA의 조건하에서 X선 회절 분석을 실시하였다.
대상 데이터
출발물질로 사용된 물질은 제강 환원슬래그이며,XRD 분석결과 비정질 상으로 관찰되었다. 제강슬래그 중 전기로 환원슬래그는 철분이 낮고 광물탄산화의 주요 성분인 CaO 및 MgO를 52% 및 7% 정도 각각 함유하므로(Table 1), 방해석(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite) 등의 CaCO3 조성을 갖는 동질이상 탄산염 광물 합성을 통하여 이산화탄소를 저감시키기 위한 주요한 출발 물질로 고려된다.
이론/모형
합성상의 형태분석은 FE-SEM(S-4700, Hitach)을사용하였다. SEM 분석은 시료를 카본테이프에 붙여서 60oC에서 10분정도 건조 한 후, 오소늄(Osomium)코팅을하여, 전자빔 가속전압 10 keV의 조건으로 분석하였다.
성능/효과
9에 제시하였다. H2SO4를 사용하여 Ca이온을 용출시킨 후 탄산화실험을 실시한 결과, 반응온도 100oC에서 H2SO4 0.3 M과 0.5 M은 약 18%와 20%의 탄산화율이 각각 분석되었으나, 0.7 M과 1 M로 증가시킨 경우 탄산화율은 급속히 감소하여 약 4%의 탄산화율만이 계산되었다. 또한 반응온도 150oC그리고 H2SO4 0.
NH4NO3 0.5 M에서 실험한 반응물에 대한 IR분석결과, 1076 cm-1(ν1), 856 cm-1(ν2) 700 and 713 cm-1에서 전형적인 아라고나이트의 진동피크가 관찰되었다.
7, 1 M) 조건에서 용출실험 후 탄산화 실험을 시행한 결과, NH4NO3 1 M에서 결정도가 상당히 높은 방해석이 생성 되었다. NH4NO3 0.5 M에서는 아라고나이트만이 생성되었으나,NH4NO3의 농도를 0.7 M로 증가시킨 경우, 아라고나이트의 결정도가 감소하면서 방해석의 결정도가 증가하였으며, 이 이상의 농도 조건에서는 방해석의 결정도가 급격히 증가하였다.
NH4NO3 0.5 M에서 실험한 반응물에 대한 IR분석결과, 1076 cm-1(ν1)부근에서 대칭 CO32-신축진동(symmetric CO32- stretching vibration)이 856 cm-1(ν2)부근에서 CO32-에 의한 면 외부 굽힘진동(CO32- out-of plane bending vibration)이관찰되었다.
NH4NO3용액을 사용하여 제강 환원슬래그 내의 칼슘이온을 용출시킨 후 탄산화 실험을 한 결과, 0.5 M의 용액에서 판상형의 아라고나이트들이 모여 꽃모양으로 관찰되었으며(Fig. 7a), 0.7 M로 증가시킨 경우,막대모양의 결정면이 잘 발달한 아라고나이트(Fig. 7b)와 약 2~4 μm 크기의 능면체형 방해석이 관찰되었다(Fig. 7c).
NH4NO3용액의 농도를 1M로 증가시키고 탄산화 실험 한 결과, 약 5~10 μm 크기로 결정이 성장하고, 결정도가 높은 방해석이 관찰되었다(Fig. 7d).
SEM 분석결과, 나무토막 형태(wood piece shape),둥근형태(round shape), 꽃모양(flower shape) 등 다양한 형태의 아라고나이트와 능면체형(rhombohedral shape)의 결정면이 잘 발달된 전형적인 방해석이 관찰되었다.
TG 분석결과로부터 탄산화율을 계산한 결과, H2SO4를 사용하고 반응온도 100oC에서는 농도의 증가와 함께 석고의 형성이 우세하여 상당히 낮은 탄산화율이 분석되었다. H2SO4 0.
이 결과는 CaCO3보다는 CaSO4가 쉽게 형성될 수 있음을 제시하는 것이다. 결론적으로 H2SO4의 농도가 증가할수록 출발물질로부터 용액내에 Ca2+와 SO42-의 이온 농도가 증가하지만, Ca2+은 탄산화반응을 위해 첨가된 HCO3- 이온과의 반응보다는 SO42-와 우선적으로 반응함으로서 결정도가 높은 CaSO4가 침전되어 탄산화율 감소를 초래하는 것으로 판단된다. 그러나 반응온도를 100o C 이상으로 증가시킨 경우 석고(gypsum)보다는 반수석고(bassanite)가 형성되었으며, 결정도 또한 상당히 낮게 관찰되었으므로 반응온도가 높을수록 석고의 생성은 제한을 받는 것으로 판단된다.
이러한 결과는 H2SO4의 농도 증가에 따른 석고 및 반수석고의 합성율 증가로부터 초래된 결과이다. 그러나 NH4NO3를 사용하여 150oC에서 실험한 결과, 산의 농도가 증가함에 따라 탄산화율도 비례적으로 증가하여 1 M 농도에서 약 93%의 탄산화율이 관찰되었다. 따라서 본 연구 결과 제강 환원슬래그를 이용한 탄산화 실험에서 H2SO4보다는 NH4NO3를 사용한 Ca이온 용출 및 탄산화반응이 상당히 효율적인 방법으로 판단되므로 효율적인 탄산화 실험을 위해 최적의 용출용매의 선택이 중요하게 요구되는 것으로 사료된다.
5 M과 반응온도 150oC의 실험조건에서 약 86%의 고정화율이 관찰되었으나 이 이상의 농도에서는 탄산화율이 반비례하여 감소하였다. 그러나 NH4NO3용액을 사용하고 반응온도 150oC의 조건에서 실험한 결과, 산의 농도가 증가함에 따라 탄산화율도 비례적으로 증가하여 1 M 농도에서 약 93%의 탄산화율이 관찰되었다.
5 M의 농도에서 약 86%의 고정화율이 계산되었다. 그러나 이 이상의 농도에서는 탄산화율이 감소되어, H2SO4, 1 M에서는 약 51%로 상당히 낮은 탄산화율이 분석되었다. 이러한 결과는 H2SO4의 농도 증가에 따른 석고 및 반수석고의 합성율 증가로부터 초래된 결과이다.
7d). 따라서 H2SO4 용액 내에서 제강 환원슬래그의 칼슘이온을 용출시킨 후 실시한 탄산화반응보다 NH4NO3용액을 사용한 경우 결정도가 높은 능면체형의 방해석이 형성되는 것을 확인 할 수 있었다.
그러나 NH4NO3를 사용하여 150oC에서 실험한 결과, 산의 농도가 증가함에 따라 탄산화율도 비례적으로 증가하여 1 M 농도에서 약 93%의 탄산화율이 관찰되었다. 따라서 본 연구 결과 제강 환원슬래그를 이용한 탄산화 실험에서 H2SO4보다는 NH4NO3를 사용한 Ca이온 용출 및 탄산화반응이 상당히 효율적인 방법으로 판단되므로 효율적인 탄산화 실험을 위해 최적의 용출용매의 선택이 중요하게 요구되는 것으로 사료된다.
반응온도 100oC와 다양한 농도의 H2SO4(0.3, 0.5,0.7, 1 M)에서 용출실험 후 탄산화 실험을 한 결과,H2SO4 0.3 M에서는 비교적 결정도가 높은 아라고나이트(aragonite)와 결정도가 낮은 방해석(calcite)이 생성되었다. H2SO4 0.
반응온도 150oC및 다양한 농도의 NH4NO3 (0.5, 0.7, 1 M) 조건에서 용출실험 후 탄산화 실험을 시행한 결과, NH4NO3 1 M에서 결정도가 상당히 높은 방해석이 생성 되었다.
제강 환원슬래그에는 주요 성분으로 CaO가 다량 함유되어 있어 제강 환원슬래그를 사용한 광물탄산화는 지구 온난화 가스의 주범으로 알려진 이산화탄소(CO2)흡수제로서 사용됨으로서, CO2 저감효과는 물론 부산물인 탄산염 광물자원(탄산칼슘)을 확보 할 수 있다는부과적인 효과가 기대된다. 따라서 본 연구에서는 산의 세기가 다른 종류의 산을 사용하여 탄산화효율을 비교하고 경제적인 광물탄산화를 수행하고자 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
환원슬래그는 무슨 특성을 가지고 있는가?
제강슬래그의 재활용 용도는 시멘트의 원료, 비료 등의 고부가가치의 용도 및 매립용골재, 복토용 골재 및 채움재, 벽돌용 골재, 호안공사용 골재 등 다양한 용도로 개발되어 국내 · 외에서 널리 사용되고 있다. 그러나 환원슬래그의 경우, 그 자체가 갖고 있는 팽창 · 붕괴 특성 때문에 콘크리트용 골재로 사용되지 못하고 거의 공지 매립용에 한하여 사용되고 있으며, 실제 건설현장에서의 활용은 전무한상태이다. 또한 토질안정제로써의 적용성, 결합재 및팽창재로서 활용법에 대한 약간의 연구 보고만 있을 뿐, 환원슬래그의 부가가치 향상을 위한 연구 및 경제성 있는 재활용 사례 연구는 거의 없는 실정이다.
제강슬래그의 재활용 용도에는 무엇이 있는가?
세계 5위의 철강 강국인 우리나라의 철강 산업체에서의 제강슬래그 발생량은 매년 100만톤 정도씩 증가하고 있으며, 2008년 제강슬래그는 1,867만톤으로 추정된다. 제강슬래그의 재활용 용도는 시멘트의 원료, 비료 등의 고부가가치의 용도 및 매립용골재, 복토용 골재 및 채움재, 벽돌용 골재, 호안공사용 골재 등 다양한 용도로 개발되어 국내 · 외에서 널리 사용되고 있다. 그러나 환원슬래그의 경우, 그 자체가 갖고 있는 팽창 · 붕괴 특성 때문에 콘크리트용 골재로 사용되지 못하고 거의 공지 매립용에 한하여 사용되고 있으며, 실제 건설현장에서의 활용은 전무한상태이다.
제강슬래그 공정 중, 고철을 원료로 하는 공정에서 무엇을 배출하는가?
제강슬래그는 철광석을 원료로 하는 공정과 고철을 원료로 하는 공정으로 구분되는데, 철광석을 원료로 하는 공정에서는 제선공정에 고로(BF, Blast Furnace)와 전로(CF, Converter Furnace)를 거쳐 강을 제조하며, 각 공정에서 고로슬래그와 전로슬래그를 배출한다. 또한 고철을 원료로 하는 공정은 전기로(EAF, Electric Arc Furnace)를 이용하며, 전기로 내에서 산화와 환원 반응이 이루어지며, 각 공정 중에 산화슬래그(EAFS)와 환원슬래그(LFS)를 배출한다. 세계 5위의 철강 강국인 우리나라의 철강 산업체에서의 제강슬래그 발생량은 매년 100만톤 정도씩 증가하고 있으며, 2008년 제강슬래그는 1,867만톤으로 추정된다.
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