[논문]Si 슬러지의 첨가가 경량지오폴리머 물성에 미치는 영향

김민정; 김유택

doi:10.6111/jkcgct.2019.29.6.257

Si 슬러지의 첨가가 경량지오폴리머 물성에 미치는 영향
Effect of Si sludge addition on the properties of lightweight geopolymers 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.29 no.6, 2019년, pp.257 - 263

초록
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분쇄되지 않은 IGCC 슬래그와 Si 슬러지를 발포제로 사용하여 경량 지오폴리머를 제조하였다. 이때, Si 슬러지 첨가량에 따른 경량 지오폴리머의 물리/화학적 특성을 파악하고자 하였다. IGCC 슬래그, 알칼리활성화제, 그리고 Si 슬러지를 5 wt.% 이상 혼합하여 지오폴리머 페이스트를 제조하면 발열반응에 의해 페이스트의 온도가 수분내에 90℃ 이상 도달하였고, 이 발열반응으로 인해 지오폴리머 반응이 가속화되어 경화되었으나 너무 격렬한 발포반응 때문에 시편성형이 어려웠다. 시편의 압축강도와 밀도는 Si 슬러리의 첨가량이 증가할수록 모두 감소하는 경향을 보였으나, 10 wt.% 이상의 첨가에서는 압축강도와 밀도 모두 큰 변화를 보이지 않았다. 단순히 Si 슬러지의 첨가량 증가만으로 낮은 밀도를 달성하는 것에는 한계가 있으며 W/S 비의 조절을 통해 페이스트의 유동성을 조절하여 기공을 비교적 균일하게 제어하는 것이 중요하다고 판단되었다. 따라서, Si 슬러지 첨가량의 조절보다는 작업조건 및 기포형성에 적절한 W/S 비를 찾는 것이 중요하며, Si 슬러지 0~30 wt.% 첨가시에는 W/S 비를 0.2로, 실제 적용 가능성은 없으나 Si 슬러지 30 wt.% 이상 첨가시에는 0.28 이상으로 조절하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lightweight geopolymers were fabricated with non-milled IGCC slag and Si sludge as a bloating material. The relationship between addition amount of Si sludge and physical/chemical properties of lightweight geopolymers was investigated. When the geopolymers were made by mixing IGCC slag, alkali activator, and more than 10 wt.% Si sludge, the temperature of the geopolymer pastes reached higher than 130℃ in a few minutes. This exothermic reaction accelerated the geopolymer reaction; however, it was difficult to make geopolymer specimens because of a rapid bloating reaction. Both compressive strength and density of the specimens tend to decrease with an addition of Si sludge; however, there was little difference in both compressive strength and density with addition of Si sludge more than 10 wt.%. Because there was a limit to get low density geopolymers by simply increasing the addition of Si sludge, the control of pore size and distribution of geopolymer is more important by controlling flow rate of the paste through the control of W/S ratio. Therefore, it is important to control process conditions, appropriate W/S ratio for the bloating than the control of Si sludge. The optimum W/S ratio was 0.20 for the addition of Si sludge less than 30 wt.% and W/S ratio should be more than 0.28 for the addition of Si sludge more than 30 wt.%, although there was no practical application in fact.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1 Experimental conditions for making lightweight geopolymers
그림 Fig. 1. A schematic diagram of experimental procedures.
그림 Fig. 2. Geopolymer paste temperature according to the addition of Si sludge.
그림 Fig. 3. Properties of lightweight geopolymers according to the addition of Si sludge: (A) Compressive strength and (b) density.
그림 Fig. 4. Specimen morphologies of lightweight geopolymers according to the addition of Si sludge.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 I GCC 스래그를 주원료로 하는 지오폴리머에 발포제로 Si 슬러지(sludge)를 첨가하여, Si 슬러지 첨가량에 따른 경량지오폴리머의 물성변화, 미세구조변화, 발포 온도 비교를 통해 경량 지오폴리머의 제조조건 확립을 위한 기초자료를 확보하고자 하는 연구를 수행하였다.
이때 사용되는 원료는 원래 메타카올린(metakaolin)과 같은 고급원료를 사용하였으나, 최근에는 고로슬래그(blast furnace slag), IGCC(integrated gasification combined cycle) 슬래그, 석탄회 등과 같은 순환자원을 사용한 연구가 증가하여 자원 재활용에 기여할 수 있는 방안들이 강구되고 있다. 본 연구에서는 연간 10만톤 정도 국내에서 발생되는 IGCC 슬래그를 주원료로 사용하여 재활용율 제고를 도모하고자 하였다. 기공을 화학적으로 형성시키기 위한 발포제로 사용한 Si 슬러지는 실리콘(Si) 웨이퍼를 절삭 또는 연마하는 과정에서 발생하는 산업 폐자원이다.

제안 방법

% 및 50 wt.% 첨가한 시편은 작업성이 좋지않아 지오폴리머 시편성형에 실패하여 물성측정이 불가하였기 때문에 이들 시편들의 W/S 비를 0.28, 0.30으로 증가시켜 실험을 진행하였다. Si 슬러지 40 wt.
시편의 온도는 저온 측정용 열전대를 측정하고자 하는 시편 페이스트 내부에 매립하여 측정하였다. 70도에서 24시간 양생은 성형후 모든 시편에서 진행되었으며, Si 함유량에 대한 시편 페이스트의 온도 측정은 별도의 실험으로 진행되었다.
30으로 조정하여 사용하였다. 물론 W/S의 비가 지오폴리머 물성에 미치는 영향은 매우 크지만[9], 본 실험에서는 W/S 비를 고정시킬 경우 제대로 된(물성 시험이 가능한) 시편을 얻기 어려웠기 때문에 온전한 시편획득이 가능한 조건에서 W/S 비를 최소한으로 변화시키면서 Si슬러지 첨가량 변화에 따른 지오폴리머의 물성변화를 관찰하였다.
분쇄 되지않은 IGCC 슬래그와 Si 슬러지를 발포제로 사용하여 경량 지오폴리머를 제조하였고 Si 슬러지의 첨가량에 따른 지오폴리머 페이스트의 온도, 압축강도, 밀도, 적정 W/S 비에 대한 관계를 알아보았다.
성형된 시편은 건조기에서 비닐로 밀봉한 후 70oC로 24시간 양생 후, 탈형을 진행하고 5 × 5 × 5 cm3 크기로 시편을 잘라 압축강도와 밀도를 측정하였다[7].

대상 데이터

IGCC 슬래그 내의 Al, Si 이온을 용해시키는 역할을 하는 알칼리활성화제는 소다라이트(sodalite) 광물을 제외한 대부분의 알루미노-실리케이트 광물에서 더 높은 이온 용해도를 갖는 NaOH를 선정하여 사용했다[6].
본 연구에서 사용한 지오폴리머의 주원료는 IGCC(석탄가스화복합발전)에서 발생된 IGCC 슬래그를 사용하였고, 발포제로는 Si 반도체 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 Si 슬러지를 사용했다. 지오폴리머 주원료가 비정질일 경우 높은 pH의 알칼리활성화제(alkali activator)를 만나면 빠르게 이온 용해가 발생하여 지오폴리머의 3차원알루미노-실리케이트 망목구조(alumino-silicate network)를 형성한다.
실험은 Fig. 1의 순서로 진행되었으며 미분쇄 IGCC 슬래그의 경우 5 mm 이하 채로 1차 선별한 후 더 이상의 원료가공 없이 곧바로 지오폴리머 제조에 사용되었으며, Si 슬러지의 경우 입수상태부터 160 μm 이하였기 때문에 더 이상의 분쇄없이 그대로 사용하였다.
준비된 IGCC 슬래그와 발포제(Si 슬러지)를 볼밀(ball mill)로 10분 이상 혼합한 다음, 증류수에 계산된 몰 (mol)비만큼 녹여 제조한 NaOH 용액(DAEJUNG CHEMICALS, 97 wt.%)과 규산나트륨 용액(Na2SiO3·nH2O, DAEJUNG CHEMICALS, Na2O: 9~10 wt.%, SiO2: 28~30 wt.%)을 1:1 비율로 혼합하여 복합 알칼리활성화제를 준비하였다.

성능/효과

4에서 보듯이 벌크상태의 원료를 사용하여 10 wt.% 이상의 Si 슬러지 첨가는 큰 의미가 없어 보이며, Si 슬러지 첨가량의 조절보다는 작업조건 및 기포형성에 적절한 W/S 비를 찾는 것이 더 중요하다고 판단되었다.
따라서 벌크상태의 원료를 사용하여 10 wt.% 이상의 Si 슬러지를 첨가하는 것은 실 적용에 어려움이 있다고 판단되며, Si 슬러지 첨가량의 조절보다는 작업조건 및 기포 형성에 적절한 W/S 비를 찾아 각종 물성 시험이 가능한 시편의 제조 조건을 확립하는 것이 중요하다는 결론을 내릴 수 있었다.
% 이상 첨가한 경우에도 압축강도는 10 wt.% 첨가 시편과 비교할 때 압축강도는 큰 감소를 보이지 않았다. 물론 같은 W/S 비에서는 아니지만, 10 wt.
%에서 30 wt.%까지 증가시킨 결과 Fig. 3에서 볼 수 있듯이, Si 슬러지의 첨가량이 증가할수록 압축강도는 감소하고 밀도는 급격하게 작아지는 경향을 보였다. 물론 Si 슬러지를 첨가하지 않은 시편과 비교하여 Si 슬러지를 첨가한 시편의 경우 압축강도가 0.
1) Si 슬러지 첨가량이 증가할수록 발열반응이 빨리 진행되었으며 최고온도 133^oC까지 페이스트의 온도가 올라갔다. 하지만 3 wt.
2) Si 슬러지 첨가량이 증가함에 따라 압축강도와 비중은 동시에 감소하는 경향을 보였으나, Si 슬러지의 양이 30 wt.% 이상 첨가되는 경우 페이스트의 작업성이 나빠져 같은 W/S 비에서 시편을 제조할 수 없었다.
28 이상으로 조절되어야 성형이 가능하였다.3) 단순히 Si 슬러지의 첨가량 증가만으로 낮은 밀도를 달성하는 것에는 한계가 있으며 W/S 비의 조절을 통해 페이스트의 유동성을 조절하여 기공을 비교적 균일하게 제어하는 것이 필수적이라고 판단했다. 따라서 벌크상태의 원료를 사용하여 10 wt.
지오폴리머 주원료가 비정질일 경우 높은 pH의 알칼리활성화제(alkali activator)를 만나면 빠르게 이온 용해가 발생하여 지오폴리머의 3차원알루미노-실리케이트 망목구조(alumino-silicate network)를 형성한다. IGCC 슬래그는 XRD 측정 결과 비정질임을 확인할 수 있었으며, 지오폴리머 경량화를 위한 발포 물질로 사용된 Si 슬러지의 XRD 측정 결과 순수한 Si 결정상인 것으로 확인되었다[4]. Si 성분이 알칼리활성화제와 반응하여 Eq.
22로 고정하였다. Si 슬러지의 첨가량을 증가시킴에 따라 발열온도가 증가하는 경향을 보였으며 급격하게 온도가 증가하는 시점이 빨라졌다. 온도가 급격하게 증가하는 시점이 빨라지는 것은 발열(발포) 반응이 시작되는 시기가 앞당겨졌다는 것을 의미하며, 온도가 고온으로 유지된다는 것은 유지시간동안 발포반응이 충분히 진행되어 발열량을 계속 유지시키기 때문에 이 기간 동안 시편에 충분한 기공이 형성된다고 해석할 수도 있다.
또한, 높은 W/S 비는 페이스트의 흐름성(flow rate)을 증가시켜 작업성을 향상시키고, 시편의 충분한 발포에는 도움을 주지만 불균일한 기공을 발생시켜 낮은 압축강도가 발현되기 때문에 항상 긍정적이지만은 않은 것으로 사료되었다. 결론적으로, Fig. 3과 Fig. 4에서 보듯이 벌크상태의 원료를 사용하여 10 wt.% 이상의 Si 슬러지 첨가는 큰 의미가 없어 보이며, Si 슬러지 첨가량의 조절보다는 작업조건 및 기포형성에 적절한 W/S 비를 찾는 것이 더 중요하다고 판단되었다.
% 이하 첨가 시편의 경우 발포가 일어나지 않는 것은 아니며, 발열량이 부족하여 온도상승이 관찰되지 않은 것으로 사료되어진다. 따라서, Si 슬러지 첨가량이 증가할수록 기공의 크기가 커지고 분포가 많아질 것으로 예측되었다.
본 실험에서는 경제성을 고려하여 벌크상태의 원료를 이용하여 실험을 진행하였으나 높은 압축강도를 목표로 한다면 고강도를 갖는 지오폴리머 Gel 형성을 위해 낮은 입도를 갖는 원료를 이용해야 할 것이다. 또한, 높은 W/S 비는 페이스트의 흐름성(flow rate)을 증가시켜 작업성을 향상시키고, 시편의 충분한 발포에는 도움을 주지만 불균일한 기공을 발생시켜 낮은 압축강도가 발현되기 때문에 항상 긍정적이지만은 않은 것으로 사료되었다. 결론적으로, Fig.
% 이상 첨가한 시편들의 경우에서는 겔의 경화가 시작되기 전 작은 크기의 기공이 서로 연결되어 성장한 것으로 보이는 거대기공들이 많이 관찰되었다[11]. 또한, 발포제의 첨가량이 증가할수록 기공의 크기가 커져 분쇄되지 않은 침상형태 및 거대크기(수 mm 크기)의 BulkIGCC Slag 입자들(그림에 화살표로 표식)이 기공을 관통하여 존재하는 것도 관찰할 수 있었다. Figure 4의 사진상에서는 시편별 기공율이 차이가 많이 나는 것으로 보이나, 10 wt.
3 참조). 본 실험에서는 W/S 비를 고정시켰으나 발포 반응을 충분히 일으키기 위해 W/S 비를 증가시킨다면 발포반응은 증가하겠지만, 시편 자중을 지탱하지 못할 만큼 불균일하고 거대한 기공이 발생하여 우리가 원하는 시편모양으로 성형이 불가능하게 되어 너무 높은 W/S 비 역시 바람직 하지 않은 것으로 판단되었다. 또한 Si 슬러지의 첨가량에 따라 지오폴리머 페이스트의 작업성이 달라지기 때문에 첨가량별 최적의 W/S 비 산출이 필요하다고 생각되었다.
% 이상 첨가한 경우 매우 급격한 발포가 진행되어 시편 페이스트가 몰드에서 흘러나가 큰기공이 형성된 부분은 손실되고, 비교적 작은 기공들로 형성된 부분만 몰드내에 남아 밀도의 차이가 크게 나지않는 것으로 보인다. 특히 몰드의 아랫부분에 위치한 시편 아랫표면의 기공크기 및 분포는 Si 첨가량과 관계없이 비교적 일정한 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

% 첨가한 시편과 비교할 때 보다도 낮은 밀도가 발현되었으며[7], 이를 통해 단순히 발포제의 첨가량 증가만으로 낮은 밀도를 달성하는 것에는 한계가 있으며 주원료의 입도와 W/S 비의 조절을 통해 페이스트의 유동성을 조절하여 기공을 비교적 균일하게 제어하는 것이 필수적이라고 판단했다. 본 실험에서는 경제성을 고려하여 벌크상태의 원료를 이용하여 실험을 진행하였으나 높은 압축강도를 목표로 한다면 고강도를 갖는 지오폴리머 Gel 형성을 위해 낮은 입도를 갖는 원료를 이용해야 할 것이다. 또한, 높은 W/S 비는 페이스트의 흐름성(flow rate)을 증가시켜 작업성을 향상시키고, 시편의 충분한 발포에는 도움을 주지만 불균일한 기공을 발생시켜 낮은 압축강도가 발현되기 때문에 항상 긍정적이지만은 않은 것으로 사료되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지오폴리머는 어떻게 제조하는가?	시멘트를 대체하기 위해 등장한 지오폴리머(geopolymer)는 무기질의 비정질 물질로 실리케이트(silicate)를 포함한 다양한 알루미노-실리케이트(alumino-silicate) 원료를 강알칼리 용액과 혼합, 저온 양생을 통해 제조한다. 이때 사용되는 원료는 원래 메타카올린(metakaolin)과 같은 고급원료를 사용하였으나, 최근에는 고로슬래그(blast furnace slag), IGCC(integrated gasification combined cycle) 슬래그, 석탄회 등과 같은 순환자원을 사용한 연구가 증가하여 자원 재활용에 기여할 수 있는 방안들이 강구되고 있다.
	지오폴리머는 무엇을 대체하기 위해 등장하였는가?	시멘트를 대체하기 위해 등장한 지오폴리머(geopolymer)는 무기질의 비정질 물질로 실리케이트(silicate)를 포함한 다양한 알루미노-실리케이트(alumino-silicate) 원료를 강알칼리 용액과 혼합, 저온 양생을 통해 제조한다. 이때 사용되는 원료는 원래 메타카올린(metakaolin)과 같은 고급원료를 사용하였으나, 최근에는 고로슬래그(blast furnace slag), IGCC(integrated gasification combined cycle) 슬래그, 석탄회 등과 같은 순환자원을 사용한 연구가 증가하여 자원 재활용에 기여할 수 있는 방안들이 강구되고 있다.
	분쇄 되지않은 IGCC 슬래그와 Si 슬러지를 발포제로 사용하여 경량 지오폴리머를 제조하였고 Si 슬러지의 첨가량에 따른 지오폴리머 페이스트의 온도, 압축강도, 밀도, 적정 W/S 비에 대한 관계를 알아본 결과는 어떻게 되는가?	1) Si 슬러지 첨가량이 증가할수록 발열반응이 빨리 진행되었으며 최고온도 133oC까지 페이스트의 온도가 올라갔다. 하지만 3 wt.% 이하의 첨가에서는 발열반응이 300 s 내에 일어나지 않았으나 지오폴리머 반응에 의해 페이스트이 온도는 43oC로 유지되었다. 10 wt.% 이상 Si 슬러지를 추가한 경우에는 급격한 페이스트의 온도상승 즉, 격렬한 발열반응에 의한 거대기공 형성과 더불어 페이스트이 경화가 촉진되어 시편의 성형이 어려웠다. 2) Si 슬러지 첨가량이 증가함에 따라 압축강도와 비중은 동시에 감소하는 경향을 보였으나, Si 슬러지의 양이 30 wt.% 이상 첨가되는 경우 페이스트의 작업성이 나빠져 같은 W/S 비에서 시편을 제조할 수 없었다. Si 슬러지의 양이 30 wt.% 이상 첨가되는 경우엔 W/S 비가 0.28 이상으로 조절되어야 성형이 가능하였다.3) 단순히 Si 슬러지의 첨가량 증가만으로 낮은 밀도를 달성하는 것에는 한계가 있으며 W/S 비의 조절을 통해 페이스트의 유동성을 조절하여 기공을 비교적 균일하게 제어하는 것이 필수적이라고 판단했다. 따라서 벌크상태의 원료를 사용하여 10 wt.% 이상의 Si 슬러지를 첨가하는 것은 실 적용에 어려움이 있다고 판단되며, Si 슬러지 첨가량의 조절보다는 작업조건 및 기포 형성에 적절한 W/S 비를 찾아 각종 물성 시험이 가능한 시편의 제조 조건을 확립하는 것이 중요하다는 결론을 내릴 수 있었다.

참고문헌 (11)

K.B. Han, "Current state of lightweight aggregate concrete and future perspective for artificial lightweight aggregate production", Kor. Con. Saf. Asso. 33 (2005) 34.
J.L. Bell and W.M. Kriven, "Preparation of ceramic foams from metakaolin-based geopolymer gels. Developments in strategic materials: Ceramic engineering and science proceedings", Cer. Eng. Sci. Proc. 29 (2009) 96.
M. Zeiml, D. Leithmer, R. Lackner and H.A. Mang, "How do polypropylene fibers improve the spalling behavior of in-situ concrete?", Cem. Conc. Res. 36 (2006) 929.

상세보기
K. Komnitsas and D. Zaharaki, "Geopolymerisation: A review and prospects for the minerals industry", Min. Eng. 20 (2007) 1261.

상세보기
J.P. Wu, A.R. Boccaccini, P.D. Lee and R.D. Rawlings, "Thermal and mechanical properties of a foamed glass ceramic material produced from silicate waste", Gla. Tech. 48 (2007) 133.
L. Soler, "In situ generation of hydrogen from water by aluminum corrosion in solutions of sodium aluminate", Pow. Sour. 192 (2009) 21.

상세보기
Y.T. Kim, S.Y. Kimg and C.S. Jang, "Fabrication of porous geopolymer using fused slag with silicon sludge", Jou. Cer. Pro. Res. 17 (2016) 1202.
V. Medri, E. Papa, J. Dedecek, H. Jirglova, P. Benito, A. Vaccari and E. Landi, "Effect of metallic Si addition on polymerization degree of in situ foamed", Cer. Int. 39 (2013) 7657.

상세보기
M.S. Jansen and M.U. Christiansen, "Effect of watersolids ratio on the compressive strength and morphology of fly ash-waste glass geopolymer mortars", WOCA Con. (2015).
L. Asso, E. Eddie and P. Ziehl, "Effect of source and particle size distribution on the mechanical and microstructural properties of fly Ash-Based geopolymer concrete", Cons. Bui. Mat. 167 (2018) 372.

상세보기
S.J. Lee, E.M. An and Y.H. Cho, "Effect of foaming agent content on the apparent density and compressive strength of lightweight geopolymers", J. Rec. Const. Res. 4 (2016) 363.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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