[논문]건축용 내화 단열재 개발을 위한 제주도 현무암 석분 슬러지 화학조성에 대한 연구

김민균; 감상규; 전용한; 김남진

doi:10.12812/ksms.2019.21.4.045

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The basalt fiber is expected to become a trend for industrial fibers as they have better properties of heat-resistant, non-combustion, absorbent, soundproof, moistureproof, lightweight, corrosion resistant, and high strength properties. Also, the fiber is found to be non-toxic and harmless to the hu...

The basalt fiber is expected to become a trend for industrial fibers as they have better properties of heat-resistant, non-combustion, absorbent, soundproof, moistureproof, lightweight, corrosion resistant, and high strength properties. Also, the fiber is found to be non-toxic and harmless to the human body. Therefore, in this study, we analyzed the chemical and mineral compositions of powdered sludge of basalt produced at seven sites on Jeju Island for the development of fire resistance insulating material for a building. The results showed that the basalt stone sludge is made from only sodium calcium aluminum silicate and ferridioside components unlike the basalt rock.

주제어

표/그림 (11)

그림 [Figure 1] Wast stone(a) & powdered sludge(b) on Jeju Island.
그림 [Figure 2] Locations for collecting powdered sludge
표 Measurement Conditions
그림 [Figure 3] XRD of Sample 1.
그림 [Figure 4] XRD of Sample 2.
그림 [Figure 5] XRD of Sample 3.
그림 [Figure 6] XRD of Sample 4.
그림 [Figure 7] XRD of Sample 5.
그림 [Figure 8] XRD of Sample 6.
그림 [Figure 9] XRD of Sample 7.
표 Chemical compositions of basalt powdered sludge

AI 본문요약
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문제 정의

아울러 제주도에서는 연간 약 일백만ton의 현무암 폐기물이 발 생하고 있는데[11], 현무암 가공 후 폐기물을 건축용 내 화 단열재로 가공할 경우 도내에서 발생하는 폐기물를 부 가가치가 높은 고기능성의 물질로 재 자원화하는 기술개 발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서 는 제주도에서 발생하는 현무암 석분 슬러지를 이용하여 고기능성 건축용 내화 단열재를 개발하기 위한 연구로 제 주지역에서 발생하는 현무암 석분 슬러지에 대한 화학성 분을 분석하여 단열재 재료로서의 가능성을 예측하고자 한다.
본 연구개발에서 채취한 현무암 석분슬러지 시료의 화 학성분을 알아보기 위해 이를 한국기초과학지원연구원 대구센터에 의뢰하여 분석하였다. 본 시료의 광물조성 은

제안 방법

과 같은 조건으로 X-선 회절분석기(XRD, Philips X'pert APD, Netherland)를 이용하여 2Θ가 5~50 범위에서 일반속도로 분석하였다.
채취된 현무암 석분 슬러지 시료를 직사광선이 닿지 않는 장소에 넓게 펼쳐 놓고 자연풍으로 건조시킨 다 음 대략 일차 분쇄한 후 분쇄용 유발에서 이차 분쇄하여 입자를 미세하게 만든 후 이를 입경 150μm의 100 mesh 표준체로 거른 약 200g을 사분법으로 균일하게 혼합하여 분석용 석분 슬러지 시료를 만들었다.
채취한 7개의 현무암 석분 슬러지 시료의 광물조성 분 석을 위해 시료의 X-선 회절(XRD) 실험결과 및 관련 광 물(reference card)의 XRD 패턴을 [Figures 3~9]에 나 타내었다. 채취한 시료의 XRD 패턴에 대해 정확히 일치하 는 광물의 reference card가 없어 측정한 XRD 패턴과 최 대한 유사한 광물의 reference card로 평가하였으며, 관 계되는 각 광물의 합을 100%로 하였을 경우 각 광물의 함량을 [%]로 나타내었다.
채취한 7개의 현무암 석분 슬러지 시료의 광물조성 분 석을 위해 시료의 X-선 회절(XRD) 실험결과 및 관련 광 물(reference card)의 XRD 패턴을 [Figures 3~9]에 나 타내었다. 채취한 시료의 XRD 패턴에 대해 정확히 일치하 는 광물의 reference card가 없어 측정한 XRD 패턴과 최 대한 유사한 광물의 reference card로 평가하였으며, 관 계되는 각 광물의 합을 100%로 하였을 경우 각 광물의 함량을 [%]로 나타내었다. [Figure 3]의 시료 1의 경우 Sodium calcium aluminum silicate (reference card 01-079-1149) 88%와 Ferridioside (referen cecard 98-008-5686) 12%로 대부분이 Sodium calcium aluminum silicate로 조성되어 있음을 알 수 있 었고, [Figure 4]의 시료 2의 경우도 Sodium calcium aluminum silicate (reference card 01-079-1149) 90%와 Ferr idioside (reference card 98-008-5686) 10%로 조성되어 있음을 알 수 있었다.
과 같은 조건으로 X-선 회절분석기(XRD, Philips X`pert APD, Netherland)를 이용하여 2Θ가 5~50 범위에서 일반속도로 분석하였다. 화학조성을 분석 하기 위해서 시료를 1,100℃의 고온에 녹여 파장분산형 X-선 형광분석기(WD-XRF, Bruker Co., S8 Tiger)를 이영하여 glass bead법으로 5회 측정하여 평균값 제시하 였다.

대상 데이터

석분슬러지의 원광특성 분석을 위해 폐수처리시설을 보유한 석재사 13개 업체를 전수 조사하였으나, 6개 업체 만이 정상 운행 중인 것으로 확인되어 해당 업체에서 각 1종의 석분슬러지를 채취하였다. 따라서 석산 1 곳을 포 함하여 총 7개의 시료를 채취하였으며, 채취지점은 Fig. 2와 같다. 채취된 현무암 석분 슬러지 시료를 직사광선이 닿지 않는 장소에 넓게 펼쳐 놓고 자연풍으로 건조시킨 다 음 대략 일차 분쇄한 후 분쇄용 유발에서 이차 분쇄하여 입자를 미세하게 만든 후 이를 입경 150μm의 100 mesh 표준체로 거른 약 200g을 사분법으로 균일하게 혼합하여 분석용 석분 슬러지 시료를 만들었다.
석분슬러지의 원광특성 분석을 위해 폐수처리시설을 보유한 석재사 13개 업체를 전수 조사하였으나, 6개 업체 만이 정상 운행 중인 것으로 확인되어 해당 업체에서 각 1종의 석분슬러지를 채취하였다. 따라서 석산 1 곳을 포 함하여 총 7개의 시료를 채취하였으며, 채취지점은 Fig.

성능/효과

에 표시하였다. Table에서 볼 수 있듯이 SiO2 51.44~ 53.75 (평균 52.55)%, Al2O3 13.35~16.65 (평균 14.93)%, Fe2O3 9.30~12.50(평균 11.05) %, CaO 8.42~8.80(평균 8.65)%, MgO 5.77~ 8.58(평균 7.15)%, Na2O 2.27~3.00(평균 2.60 )%, K2O 0.57~1.24(평균 0.81)%, TiO2 1.69~ 2.11(평균 1.86)%이고, 기타 성분(P2O5, MnO 및 Cr2O3)는 1% 미 만으로, 주성분은 SiO2+ Al2O3+Fe2O3이며 함량은 77.29~ 79.79%를 나타내고 있다. 시료 중의 강열감량 (LOI)는 광물의 가연성 성분의 함량을 나타내는 것으로, 채취한 석분슬러지는 0.
05%로, 가연성 성분은 거 의 함유하지 않은 것으로 판단된다. 또한 석산에서 채취한 석분 슬러지의 경우도 석재사에서 채취한 시료 6가지와 화학조성에는 큰 차이가 없음을 확인하였다. 또한 석산에서 채취한 현무암 시료[13]의 화학성분 함 량을 평균농도로 비교하여 보면 SiO2의 경우 각각 52.
또한 석산에서 채취한 석분 슬러지의 경우도 석재사에서 채취한 시료 6가지와 화학조성에는 큰 차이가 없음을 확인하였다. 또한 석산에서 채취한 현무암 시료[13]의 화학성분 함 량을 평균농도로 비교하여 보면 SiO2의 경우 각각 52.55 와 51.75%, Al2O3는 각각 14.93와 15.56%, Fe2O3의 경 우 각각 11.05와 11.51%, CaO의 경우 각각 8.65와 7.84%, MgO는 각각 7.15와 6.54%, Na2O는 각각 2.60 와 2.93%, K2O의 경우 각각 0.81와 1.38%, TiO2의 경우 각각 1.86와 1.95%로 석분슬러지 시료는 2019년 채취한 폐석 시료보다 SiO2, CaO 및 MgO에서 다소 높은 함량을, Al2O3, Fe2O3, Na2O 및 K2O에서 다소 낮은 함량을 보임을 알 수 있었으며, TiO2는 유사한 농도로 분포하고 있었다.
79%를 나타내고 있다. 시료 중의 강열감량 (LOI)는 광물의 가연성 성분의 함량을 나타내는 것으로, 채취한 석분슬러지는 0.00~0.05%로, 가연성 성분은 거 의 함유하지 않은 것으로 판단된다. 또한 석산에서 채취한 석분 슬러지의 경우도 석재사에서 채취한 시료 6가지와 화학조성에는 큰 차이가 없음을 확인하였다.
86%이고, P2O5, MnO 및 Cr2O3 등의 기 타 성분은 1% 미만이다. 주성분은 78.53%를 차지하는 SiO2, Al2O3, Fe2O3이며 가연성 성분은 거의 함유하지 않 은 것으로 나타났다. 따라서 단열재 생산시 본 연구의 결 과를 이용하여 첨가물의 종류와 양을 결정할 수 있을 것이 고, 또한 시료별 화학조성의 차이가 크지 않아 모든 시료 를 하나의 배합비율로 단열재를 생산할 수 있을 것으로 사 료된다
채취한 6종의 현무암 석분슬러지 시료의 화학성분은 광 물조성과는 달리 채취시료에 따라 다른 화학조성을 보였 으며, 평균 함량은 SiO2 52.55%, Al2O3 14.93%, Fe2O3 11.05%, CaO 8.65%, MgO 7.15%, Na2O 2.60%, K2O 0.81%, TiO2 1.86%이고, P2O5, MnO 및 Cr2O3 등의 기 타 성분은 1% 미만이다. 주성분은 78.

후속연구

그 러나 석분 슬러지는 모두 환경처리 사업자에게 위탁처리 하도록 법제화되어 있기 때문에 석재 가공공장에서 환경 처리업자에게 처리비용을 지급하면서도 보관기한을 넘 기게 되면 석분슬러지는 사업장 내부에 쌓이게 되어 수질 및 대기오염 등의 환경문제를 발생시킬 수 있다. 아울러 제주도에서는 연간 약 일백만ton의 현무암 폐기물이 발 생하고 있는데[11], 현무암 가공 후 폐기물을 건축용 내 화 단열재로 가공할 경우 도내에서 발생하는 폐기물를 부 가가치가 높은 고기능성의 물질로 재 자원화하는 기술개 발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서 는 제주도에서 발생하는 현무암 석분 슬러지를 이용하여 고기능성 건축용 내화 단열재를 개발하기 위한 연구로 제 주지역에서 발생하는 현무암 석분 슬러지에 대한 화학성 분을 분석하여 단열재 재료로서의 가능성을 예측하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 발생한 유리섬유의 문제는 무엇인가?	특히 판넬 속 스티로폼은 가연성이 높아 불에 타기 쉬울 뿐만 아니라 철판으로 된 판넬속에 막혀 있기 때문에 진화하기 어렵고 다량의 유독성가스까 지 발생하기 때문에 일단 불이 나면 판넬이 불쏘시개 역할 을 하므로 대형 참사로 이어지는 확률이 매우 높다. 석면 은 발암물질로 인하여 퇴출되었고, 석면을 대체할 수 있는 소재로 유리섬유가 각광을 받아오다가 최근 잠재적인 발 암 가능물질로 규정되었다. 따라서 독성이 없고 인체에 무 해하여 내화성이 높은 단열재가 필요하다.
	샌드위치 판넬은 무엇인가?	샌드위치 판넬은 앞뒤 양면이 철판으로 된 판넬 사이에 스티로폼이 끼워져 있는 것을 지칭하고, 보온단열성과 가 격적인 측면은 우수하나 화재안전성이나 구조적인 측면에 서는 큰 단전이 있다. 특히 판넬 속 스티로폼은 가연성이 높아 불에 타기 쉬울 뿐만 아니라 철판으로 된 판넬속에 막혀 있기 때문에 진화하기 어렵고 다량의 유독성가스까 지 발생하기 때문에 일단 불이 나면 판넬이 불쏘시개 역할 을 하므로 대형 참사로 이어지는 확률이 매우 높다.
	샌드위치 판넬의 문제점은 무엇인가?	샌드위치 판넬은 앞뒤 양면이 철판으로 된 판넬 사이에 스티로폼이 끼워져 있는 것을 지칭하고, 보온단열성과 가 격적인 측면은 우수하나 화재안전성이나 구조적인 측면에 서는 큰 단전이 있다. 특히 판넬 속 스티로폼은 가연성이 높아 불에 타기 쉬울 뿐만 아니라 철판으로 된 판넬속에 막혀 있기 때문에 진화하기 어렵고 다량의 유독성가스까 지 발생하기 때문에 일단 불이 나면 판넬이 불쏘시개 역할 을 하므로 대형 참사로 이어지는 확률이 매우 높다. 석면 은 발암물질로 인하여 퇴출되었고, 석면을 대체할 수 있는 소재로 유리섬유가 각광을 받아오다가 최근 잠재적인 발 암 가능물질로 규정되었다.

참고문헌 (13)

N. Ayrilmis, S. Jarusombuti, V. Fueangvivat, P. Bauchongkol, R. H. White(2011), "Coir fiber reinforced polypropylene composite panel for automotive interior applications." Fibers Polym. 12:919-926.

원문보기 상세보기
Y. Yao, Y. C. He, Z. W. Chen(2016), "Microwave dielectric properties of basalt fiber and its composites." Fiber Reinforced Plastics /Composites, 5:65-67.
Y. Yao, P. Xu, L. Liu(2015), "Comparative study on corrosion resistance of basalt fiber at home and abroad." China synthetic fiber industry, 38: 9-11.
L. Zongwen, M. Jianxun, M. Hongmin, X. Xin(2018), "Properties and applications of basalt fiber and its composites." IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 186:1-7.
V. Fiore, G. Di Bella, A. Valenza(2011), "Glass- basalt/epoxy hybrid composites for marine applications." Mater. Des. 32:2091-2099.

상세보기
V. Dhand, G. Mittal, K. Y. Rhee, S. J. Park, D. Hui(2015), "A short review on basalt fiber reinforced polymer composites." Compos. Part B. 73:166-180.
www.jeju.go.kr
KIGAM,(2000), A Study on the Application of Powered Basalt, KIGAM report, pp. 3-32.
K. Y. Kim(2006), "A study on the application of powdered basalt sludge in construction engineering and its special characteristic." Ph. D. Dissertation, Jeju National University, South Korea.
D. S. Kim(2010), Manufacture of castings using basalt sludge and waste stone on Jeju Island, JGEC Report.
Ministry of Environment(2016), National waste occurrence and disposal, Annual Report, pp. 55-78.
http://chemistry-reference.com
M. B. Gang, S. G. Kam, N. J. Kim(2019), "A Study on the Chemical Compositions of Jeju Basalt for the Development of an Inorganic Insulation Material." Korea Society of Geothermal Energy Engineers, 15(3):1-6.

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