[논문]소성에 따른 굴패각의 광물학적 특성변화: 석회석과의 비교 연구

이진원; 최승현; 김석휘; 차왕석; 김강주; 문보경

doi:10.9719/eeg.2018.51.6.485

소성에 따른 굴패각의 광물학적 특성변화: 석회석과의 비교 연구
Mineralogical Changes of Oyster Shells by Calcination: A Comparative Study with Limestone 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.51 no.6, 2018년, pp.485 - 492

이진원 (군산대학교 환경공학과) , 최승현 (군산대학교 환경공학과) , 김석휘 (고등기술연구원) , 차왕석 (군산대학교 환경공학과) , 김강주 (군산대학교 환경공학과) , 문보경 (한국서부발전(주))

초록
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국내에서는 연간 약 30만톤의 굴패각이 발생하고 있어 이를 대규모로 활용할 수 있는 방안이 필요한 실정이다. 최근에는 굴패각을 소성하여 유기물을 분해시키고, $CaCO_3$를 CaO로 전환하여 습식탈황제로 활용하는 방안이 적절한 대안으로 고려되고 있다. 이에 본 연구에서는 소성에 따른 굴패각의 광물학적 특성변화(표면적, 상전이, 표면상태 등)를 관찰하고 석회석의 그것과 비교하였다. 굴패각은 판상 및 주상의 입자들의 집합체로 구성되어 조직이 치밀한 석회석 보다는 같은 입도에서 훨씬 큰 비표면적을 갖는다. 굴패각은 석회석보다는 낮은 온도에서 상전이가 일어남을 확인하였다. 석회석은 소성 후에 비표면적이 급격히 증가하는 결과를 보였지만, 굴패각은 소성 후에는 비표면적이 오히려 줄어드는 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 굴패각에 소량 포함된 Na가 용제로 작용하여 소성시 굴패각의 용융을 야기하고 이로 인하여 입자들이 낮은 온도에서 소결됨으로써 나타난 현상으로 추측된다. 아울러, 소결된 표면이 나머지 부분을 에워쌈으로써, 온도를 높이고 열처리시간을 늘려도 일부는 상전이되지 아니하는 현상도 관찰되었다. 이러한 현상에 대한 효과를 탈황의 관점에서 고찰하는 추가 연구가 필요해 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

About 300 thousand tones of oyster shells are produced annually and, thus, their massive recycling methods are required. Recently, a method, utilizing them as wet desulfurization materials after removal of organic matters and changing $CaCO_3$ phase into CaO through calcination, is under consideration. This study investigates the mineralogical changes (specific surface area, phase changes, surface state, etc.) of oyster shells by calcination and their characteristics were compared with those of limestone. Uncalcined oyster shells showed the higher specific surface area than limestone because the former are composed of platy and columnar structures. In contrast, investigated limestone showed a dense structure. The phase change of oyster shells occurred at lower temperature than that of limestone. The specific surface area of oyster shell decreased significantly after calcination while limestone depicted a drastic increase. Small amount of Na contained in oyster shell was suggested as the cause of this phenomenon; in that, it acted as a flux causing melting and sintering of oyster materials at lower temperature. Because of this, an additional phenomenon was observed that a part of shell materials remained untransformed even at higher calcination temperature and after longer treatment period due to the sintered surface, which covers the rest parts. Further studies investigating the effect of this phenomena from the perspective of desulfurization is required.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. XRF analysis results for Korean oyster shells and limestone used for desulfurization in Western Power Co. Ltd. (Data after Ha et al., 2017)
그림 Fig. 1. TGA analysis results for oyster shell (a) and limestone (b).
그림 Fig. 2. Changes in XRD patterns of the calcined oyster shells according to calcination temperature and duration.
그림 Fig. 3. XRD patterns of the limestone and oyster shells calcined at 900 ℃ with different calcination duration.
그림 Fig. 4. BET surface areas of the limestone and oyster shells calcined at 900 ℃ with different calcination duration.
그림 Fig. 5. SEM images of oyster shells calcined at different temperature.
그림 Fig. 6. SEM images of limestone and oyster shells calcined at 900 oC with different calcination duration.

AI 본문요약
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문제 정의

, 2017). 본 연구는 굴패각을 탈황재료로 사용하기 위하여 소성했을 때 나타나는 광물학적 특성변화를 탈황의 관점에서 고찰하기 위한 목적으로 수행되었다.

제안 방법

본 연구에서는 소성에 따른 굴패각의 특성변화를 확인하기 위하여 석회석과 함께 소성 실험을 수행하고, 다양한 광물학적 조사를 수행하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.
본 연구에는 충청남도 태안지역에서 발생하는 굴패각을 채집하여 사용하였다. 소성에 따른 굴패각의 광물학적 특성변화를 보다 명확히 이해하기 위하여, 석회석의 소성 특성과 비교하였다. 굴패각과의 비교를 위한 석회석은 ㈜한국서부발전에서 탈황용으로 사용하는 석회석을 이용하였다.

대상 데이터

소성에 따른 굴패각의 광물학적 특성변화를 보다 명확히 이해하기 위하여, 석회석의 소성 특성과 비교하였다. 굴패각과의 비교를 위한 석회석은 ㈜한국서부발전에서 탈황용으로 사용하는 석회석을 이용하였다. 본 실험에 이용된 굴패각은 대략 5 cm정도의 크기를 가졌으며, 석회석은 2-3 cm정도의 크기로 분쇄된 것이었다.
본 연구에는 충청남도 태안지역에서 발생하는 굴패각을 채집하여 사용하였다. 소성에 따른 굴패각의 광물학적 특성변화를 보다 명확히 이해하기 위하여, 석회석의 소성 특성과 비교하였다.

이론/모형

탄산칼슘에 고온의 열을 가하면, 즉, 탄산칼슘을 소성(calcination)하게 되면, 다음과 같이 CO₂가 탈기되고 CaO(생석회, quick lime)로 전환되는 상전이(phase transition)가 발생된다.

성능/효과

2. 열처리를 하게 되면 굴패각은 석회석보다는 낮은 농도에서 상전이가 일어난다. 그러나, 소성 온도와 시간을 늘려도 일부는 상전이 되지 않고 남아 있었다.
3. 이는 굴패각에 소량 포함된 Na가 용제로 작용하여 소성시 입자들을 서로 엉겨 붙게 함으로써 발생된 현상으로 보인다. 아울러 상전이가 일어나지 않은 부분은 안에 갇힘으로써, 소량이지만 일부는 상전이 되지 아니하는 현상도 발생하는 것으로 추측된다.
4. 이와 같은 소결 현상으로 인하여 소성 후에는 비표면적이 오히려 줄어드는 것으로 나타났고, 이는 소성굴패각의 반응성을 떨어뜨리는 역할을 하게 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	굴패각 처리방안으로 탈황재료로 사용하는 것이 타당한 이유는 무엇인가?	이에 굴패각의 산지와 석탄화력발전소의 위치가 대체로 일치한 점을 고려하여, 굴패각을 석탄화력발전소 에서 사용되는 탈황용 석회석의 대체제로 사용하는 방안이 제안되고 있다. 석탄을 연소하게 되면, 아황산가스(SO2 )와 같은 황산화물이 배출되며, 이는 산성비의 원인이 되고 있다(Singh and Agrawal, 2008). 연소배 가스 내 황산화물 제거에는 CaCO3 가 주성분인 석회석이 사용된다. 현재, 국내 5개 발전사가 배가스 처리(탈황공정)를 위하여 사용하는 석회석은 연간 약 150만톤에 이른다. 이는 1개의 대형발전소만으로도 국내에서 연간 발생되는 굴패각을 모두 처리할 수 있음을 의미한다(Kim et al., 2017).
	굴패각의 가장 흔한 활용처는 무엇인가?	, 2017). 현재,굴패각은 분쇄하여 비료로 사용하는 것에 가장 많이 재활용되고 있다. 패각 문제가 심각한 남해연안에서는 2002년 연간 발생된 25만 톤의 패각 중 약 25%에 해당하는 약 6만여 톤이 비료로 활용되었으나, 이마져도 굴패각 비료의 높은 생산단가와 소비부진 등의 이유로 재활용되지 못하는 양이 점차 증가하고 있다고 한다.
	굴패각 비료의 단점은 무엇인가?	현재,굴패각은 분쇄하여 비료로 사용하는 것에 가장 많이 재활용되고 있다. 패각 문제가 심각한 남해연안에서는 2002년 연간 발생된 25만 톤의 패각 중 약 25%에 해당하는 약 6만여 톤이 비료로 활용되었으나, 이마져도 굴패각 비료의 높은 생산단가와 소비부진 등의 이유로 재활용되지 못하는 양이 점차 증가하고 있다고 한다.(Eo et al.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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