[국내논문]이산화탄소 지중 격리용 인산염 혼입 시멘트 페이스트에 관한 기초물성 평가 Evaluation on the Basic Properties of Phosphate Modified Portland Cement Paste for Potential Application of Geologic CO2 Sequestration원문보기
지구온난화가 세계적으로 이슈가 되면서 이산화탄소 포집 및 저장기술의 개발에 관한 많은 노력이 집중되고 있다. 이중 이산화탄소 지중저장은 포집된 이산화탄소를 초임계 상태로 지하의 암반층에 안정적으로 저장하여 대기로의 유출을 방지하는 기술이다. 이와 같이 저장된 이산화탄소의 유출을 막기 위해 콘크리트를 사용하는데, 이 때 콘크리트는 매우 공격적인 형태의 중성화로 인해 내구성이 열화될 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 이에 대한 안정성을 높이기 위해 포틀랜드 시멘트에 인산칼슘을 혼입하여 지구상에서 가장 안정적인 물질중 하나인 수산화인회석을 생성시키고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 인산칼슘을 혼입한 포틀랜드 시멘트 페이스트의 수화온도, 점성, 응결 및 경화, 압축강도 변화를 분석하였다. 그 결과, 인산칼슘이 혼입되면 페이스트의 점도를 증가되나 최대수화온도는 낮아지고, 28일 압축강도 또한 저하되는 것으로 나타났다. 특히 인산이수소칼슘은 포틀랜드 시멘트와 함께 사용하기는 어려운 것으로 나타났으며, 인산수소칼슘 및 인산삼칼슘을 혼입한 경우에는 장기강도 성상을 확인한 후 활용가능성을 타진할 필요가 있는 것으로 나타났다.
지구온난화가 세계적으로 이슈가 되면서 이산화탄소 포집 및 저장기술의 개발에 관한 많은 노력이 집중되고 있다. 이중 이산화탄소 지중저장은 포집된 이산화탄소를 초임계 상태로 지하의 암반층에 안정적으로 저장하여 대기로의 유출을 방지하는 기술이다. 이와 같이 저장된 이산화탄소의 유출을 막기 위해 콘크리트를 사용하는데, 이 때 콘크리트는 매우 공격적인 형태의 중성화로 인해 내구성이 열화될 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 이에 대한 안정성을 높이기 위해 포틀랜드 시멘트에 인산칼슘을 혼입하여 지구상에서 가장 안정적인 물질중 하나인 수산화인회석을 생성시키고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 인산칼슘을 혼입한 포틀랜드 시멘트 페이스트의 수화온도, 점성, 응결 및 경화, 압축강도 변화를 분석하였다. 그 결과, 인산칼슘이 혼입되면 페이스트의 점도를 증가되나 최대수화온도는 낮아지고, 28일 압축강도 또한 저하되는 것으로 나타났다. 특히 인산이수소칼슘은 포틀랜드 시멘트와 함께 사용하기는 어려운 것으로 나타났으며, 인산수소칼슘 및 인산삼칼슘을 혼입한 경우에는 장기강도 성상을 확인한 후 활용가능성을 타진할 필요가 있는 것으로 나타났다.
As global warming became a worldwide issue, a significant effort has been made on the development of technology related to $CO_2$ capture and storage. Geologic sequestration of $CO_2$ is one of those technologies for safe disposal of $CO_2$. Geologic sequestration st...
As global warming became a worldwide issue, a significant effort has been made on the development of technology related to $CO_2$ capture and storage. Geologic sequestration of $CO_2$ is one of those technologies for safe disposal of $CO_2$. Geologic sequestration stores $CO_2$ in the form of supercritical fluid into the underground site surrounded by solid rock, and concrete is used for prevention of $CO_2$ leakage into the atmosphere. In such case, concrete may experience severe damage by attack of supercritical $CO_2$, and especially in contact with underground water, very aggressive form of carbonation can occur. In this work, to prevent such deterioration in concrete, calcium phosphates were added to the portland cement to produce hydroxyapatite, one of the most stable mineral in the world. Temperature rise, viscosity, set and stiffening, and strength development of cement paste incorporating three different types of calcium phosphates were investigated. According to the results, it was found that the addition of calcium phosphate increased apparent viscosity, but decreased maximum temperature rise and 28 day compressive strength. It was found that monocalcium phosphate was found to be inappropriate for portland cement based material. Applicability of dicalcium and tricalcium phosphates for portland cement needs to be evaluated with further investigation, including the long term compressive strength development.
As global warming became a worldwide issue, a significant effort has been made on the development of technology related to $CO_2$ capture and storage. Geologic sequestration of $CO_2$ is one of those technologies for safe disposal of $CO_2$. Geologic sequestration stores $CO_2$ in the form of supercritical fluid into the underground site surrounded by solid rock, and concrete is used for prevention of $CO_2$ leakage into the atmosphere. In such case, concrete may experience severe damage by attack of supercritical $CO_2$, and especially in contact with underground water, very aggressive form of carbonation can occur. In this work, to prevent such deterioration in concrete, calcium phosphates were added to the portland cement to produce hydroxyapatite, one of the most stable mineral in the world. Temperature rise, viscosity, set and stiffening, and strength development of cement paste incorporating three different types of calcium phosphates were investigated. According to the results, it was found that the addition of calcium phosphate increased apparent viscosity, but decreased maximum temperature rise and 28 day compressive strength. It was found that monocalcium phosphate was found to be inappropriate for portland cement based material. Applicability of dicalcium and tricalcium phosphates for portland cement needs to be evaluated with further investigation, including the long term compressive strength development.
이와 같은 열화반응이 지속적으로 가속화되면 콘크리트의 역학적 성능이 저하되어 내구성을 발현할 수 없는 상태가될 수도 있다[10]. 이를 보완하기 위한 방법으로 본 연구에서는 콘크리트 매트릭스 내부에 hydroxyapatite(방해석보다 용해도가 낮은 물질임)의 생성을 통해 이산화탄소 환경에 노출된 콘크리트의 내구성을 증진시켜 급속 중성화 반응으로 부터 C-S-H를 보호하고자 한다. 본 연구의 선행연구에서는 인산칼슘(calcium phosphates, CP) 3가지 형태가 혼입된 포틀랜드 시멘트 페이스트의 XRD 패턴을 분석한 결과 hydroxyapatite(Ca 5·(PO4)3·OH)가 형성된 것으로 나타났다[10].
가설 설정
또한 CP1 및 CP2의 경우에는 화학적으로 결합된 H2O가 존재하는데 인산칼슘 내부에 존재하는 H2O가 배합수로서의 역할을 할 수도 있다고 가정하여 배합수량을 각 배합별로 다르게 적용하여 추가적인 실험을 진행하였다. 시멘트와 인산칼슘의 배합은 기계식 믹서(Kitchen Aid Co.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 이산화탄소를 지중에 저장하고자 하는 경우, 주입구에 타설될 콘크리트가 초임계 이산화탄소에 효과적으로 대응할 수 있도록 인산칼슘혼입에 따른 페이 스트의 수화온도, 점성, 압축강도, 응결 및 경화특성, 미세구조 형태를 파악하여 기초적인 물성을 평가하고자 한다.
또한, 본 연구에서는 쌍용양회에서 생산된 1종 보통 포틀랜드 시멘 트에 한해 실험한 결과이므로 국내에서 사용되고 있는 다양한 시멘트에 대한 추가 실험도 병행되어야 할 것으로 판단된 다. 연구결과를 본 연구에서는 다양한 인산염 계열의 재료중 포틀랜드 시멘트와 가장 물성이 잘 맞을 것으로 예상되는 3종류의 인산칼슘을 선정하여 실험을 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 시멘트는 (주)○○양회의 1종 보통포틀랜드 시멘트이며, 화학적 성분은 Table 1과 같다.
실험에 사용된 인산칼슘은 Duksan사의 인산이수소칼슘 (Ca(H2PO4)2 ·H2O; Monocalcium phosphate 이하 CP1), 인산수소칼슘(Ca(H2PO4)2·H2O; Dicalcium phosphate or Calcium hydrogen phosphate 이하 CP2), 인산삼칼슘 (Ca3(PO4)2; Tricalcium phosphate 이하 CP3)을 사용하였다. 실험에 사용된 시험체는 Table 2의 배합표와 같이 제작하 였으며, 시멘트 페이스트를 활용하여 실험을 진행하였다.
데이터처리
응결경화시간은 디지털 관입저항기(Heung Jin Co., Ltd., Korea, HJ-3169)를 사용하여 측정하였으며, 측정한 데이터를 ASTM C 403에 따라 지수함수(exponential) 로 회귀분석하여 추정하였다. 이 때 시멘트 페이스트 초결 (initial set)에 해당하는 관입저항성인 2MPa과 종결(final set)에 해당하는 관입저항성인 14MPa에 해당하는 시간을 계산하여 추정하였다[11].
이론/모형
이후 각 샘플은 재령일까지 25±1℃ 온도의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 포화 용액에 침지하여 양생하였다. 압축강도의 측정은 재령 3, 7, 28일에 실시하였으며, KS L 5105 규정에 의거하여 전동식 압축강도 시험기(S1 industry Co., Korea, S1-1471D)을 사용하여 측정하였다.
성능/효과
1) 포틀랜드 시멘트에 인산염을 혼입하였을 경우 인산염 계열 재료의 반응이 시멘트 보다 우선시되며, 생성된 반응물질의 존재로 인해(입자간의 interlocking 현상및 배합수의 감소 등) 점도가 상승하는 것으로 나타났 다. CP의 종류에 따라 다소 차이는 있으나, 모든 시험 체의 수화온도는 인산염을 혼입하지 않은 경우 보다 10~28% 정도 낮아지는 것으로 측정되었다.
2) 반면, 응결 및 경화 특성을 분석한 결과 대부분의 CP 시험체는 응결 및 경화가 지연되는 것으로 나타났으나, CP3는 일반 Plain 보다 응결 및 경화가 촉진되는 것으로 나타났다. 인산을 많이 배출하여 산·염기중화반응 으로 인해 응결 및 경화가 지연되는 CP1과 CP2와는 달리 CP3는 상대적으로 많은 hydroxyapatite 생성이 가능하여 점도 상승폭 또한 크고 이로 인해 응결 및경화 또한 급격히 진행된 것으로 사료된다.
3) 인산염계열 재료를 포틀랜드 시멘트에 혼입하여 사용 하기 위해 수화온도, 소성점도, 응결 및 경화 특성의 변화, 압축강도의 성상을 종합적으로 고려할 때 CP1의 사용은 다소 어려울 것으로 판단된다. CP2와 CP3를 활용하기 위해서는 추후 장기재령에 따른 압축강도의 변화를 관찰하여 추가적으로 CP가 시멘트 페이스트의 물성에 미치는 영향을 종합적으로 평가할 필요가 있을 것으로 판단된다.
후속연구
3) 인산염계열 재료를 포틀랜드 시멘트에 혼입하여 사용 하기 위해 수화온도, 소성점도, 응결 및 경화 특성의 변화, 압축강도의 성상을 종합적으로 고려할 때 CP1의 사용은 다소 어려울 것으로 판단된다. CP2와 CP3를 활용하기 위해서는 추후 장기재령에 따른 압축강도의 변화를 관찰하여 추가적으로 CP가 시멘트 페이스트의 물성에 미치는 영향을 종합적으로 평가할 필요가 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 초임계 이산화탄소의 지중 격리를 위한 인산염 혼입 시멘트 복합체의 개발에 관한 기초연구로써, CP 를 혼입한 시멘트 페이스트의 기초적인 물성을 평가하였다. 본 연구에서 수행된 실험들은 이산화탄소 지중격리를 위한 기초연구 중에서도 극히 일부분을 시작한데 불과하며, 시멘 트와 각종 phosphate의 상호 반응(수화반응성, pH 변화, 공극내 Ca2+ 변화 등) 및 이산화탄소와의 반응에 따른 변화 등에 관한 추가 연구가 반드시 필요하다고 판단된다. 또한, 본 연구에서는 쌍용양회에서 생산된 1종 보통 포틀랜드 시멘 트에 한해 실험한 결과이므로 국내에서 사용되고 있는 다양한 시멘트에 대한 추가 실험도 병행되어야 할 것으로 판단된 다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CCS이란 무엇인가
대기 중 이산화탄소 배출 문제에 대한 가장 직접적이고 실질적인 대책은 대기 중으로 배출되는 이산화탄소를 포집하여 선별한 후, 안정적으로 저장하여 환경으로 유출 되는 것을 억제하는 것이다. 이러한 일련의 과정은 대기 중 대량의 이산화탄소를 포집한 후 압축, 수송 과정을 거쳐 육상 또는 해양지중에 안전하게 저장하는 기술을 통칭하며, 이를 CCS(carbon capture & storage)로 명명하고 있다. CCS는 대량의 이산화탄소를 감축할 수 있는 신기술로서 주목받고 있으나, 현재 대부분의 연구개발은 포집기술 향상과 관련된 분야로 한정되어 있다.
이산화탄소 배출량이 많은 산업에는 어떤 것들이 있는가
따라서 지속가능한 환경을 유지하기 위해서는 대기 중 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 노력에 동참해야 하며 이를 위해 에너지 절약, 폐기물 재활용, 신재생 에너지 기술개발 등 다양한 방법을 모색하고 있다. 특히 이산화탄소 배출량이 많은 화력발전소, 철강산업및 시멘트 산업 분야의 동참이 필요하나, 이는 현실적으로 많은 한계를 가지고 있다[3].
이산화탄소 지중저장이 가지는 장점은 무엇인가
이산화탄소를 수송하거나 저장하기 위한 방법 중에서 이산화탄소 지중저장(Geological Sequestration of CO 2)은 육상이나 해저에 존재하는 적합한 지질구조(채굴이 끝나거나 생산중인 유전 및 가스전, 석탄층, 심부 대염수층, 지하 공동) 내부로 이산화탄소를 주입하고 입구를 콘크리트로 봉쇄하는 기술이다[5,6,7]. 포집된 이산화탄소는 초임계상(온도=31.1℃, 압력=7.4MPa)의 형태로 지층구조 내부에 주입되게 된다[5]. 초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도를 가지며 기체와 비슷한 점성을 가지고 있고, 임계점이 물보다 매우 낮아서 다루기 용이하다. 하지만 지하 공동이 초임계 상태의 이산화탄소로 가득 차게 되면 입구를 봉쇄하는데 사용된 콘크리트는 초임계 상태의 이산화탄소에 직접적으로 노출되게 되는데, 노출된 콘크리트는 이산화탄 소와 반응하여 중성화(CaOH2+CO2→CaCO3+H2O)가 진행되게 된다.
참고문헌 (12)
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