[논문]무기계 혼화재료를 혼입한 모르타르 시편의 광촉매 처리를 고려한 NOx 저감 성능

윤용식; 김혁중; 박장현; 권성준

doi:10.14190/jrcr.2020.8.4.506

무기계 혼화재료를 혼입한 모르타르 시편의 광촉매 처리를 고려한 NOx 저감 성능
NOx Reduction Performance in Cement Mortar with TiO2 Treatment and Mineral Admixture 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.4, 2020년, pp.506 - 513

윤용식 (한남대학교 건설시스템공학과) , 김혁중 (한경대학교 산학협력단) , 박장현 (한경대학교 한국미래융합기술연구원) , 권성준 (한남대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구에서는 무기계 혼화재료인 제올라이트 및 활성 황토를 혼입한 모르타르의 역학적 특성, 흡수율, NOx 저감 성능을 평가하였다. 제올라이트 및 활성 황토는 결합재로서 시멘트의 대체재로 사용되었으며 치환율은 각 20, 30%로 설정하였다. 각 배합의 압축강도 및 휨강도를 평가한 결과, Plain 배합에서 가장 높은 강도가 평가되었다. 제올라이트 및 활성 황토의 혼입율이 증가할수록 강도가 낮아지는 경향이 나타났다. 또한 활성 황토와 제올라이트 혼입 배합간의 강도 차이는 미미한 수준으로 나타났다. 흡수율을 평가하기 위해 기존의 배합의 물-결합재 비를 낮추고 활성 황토 및 제올라이트의 치환률을 25%로 설정한 배합을 설계하였다. 제올라이트 혼입 배합에서 가장 높은 흡수율이 평가되었으며, 나머지 두 배합 간에 흡수율의 차이는 매우 적었다. 광촉매 코팅의 유무를 고려한 NOx 저감 성능을 평가한 결과, 동일 배합이라 하더라도 광촉매를 코팅함에 따라 뚜렷한 NOx 농도 저감이 나타났다. 또한 제올라이트 및 활성 황토는 다공성 성질을 갖기 때문에 Plain 배합 보다 높은 NOx 감소 성능을 나타내었다. 활성 황토 배합의 경우 흡수율은 제올라이트 배합보다 낮은 값을 나타내었지만, 제올라이트 혼입 배합보다 뛰어난 NOx 저감 성능이 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the mechanical properties, absorption, and reduction performance of NOx in the mortar containing mineral admixture like zeolite and active hwangtoh were evaluated. Zeolite and active hwangtoh were used as binder, and zeolite and active hwangtoh were substituted for cement. The substitution ratio of two types of mineral admixtures was considered as 20 and 30% respectively. As a result of evaluating the compressive strength and flexural strength of each mortar specimen, the highest strength in the plain mixture was evaluated. As the substitution ratio of zeolite and active hwangtoh increased, the compressive and flexural strength decreased. In addition, the difference of compressive and flexural strength between active hwangtoh and zeolite mixing was evaluated to be insignificant. To evaluate the absorption rate, the mixture was designed to lower the W/B ratio of the existing mixture and set the substitution ratio of active hwangtoh and zeolite at 25%. The highest absorption ratio in the mortar with zeolite was evaluated, and the difference in absorption ratio between the remaining two mortar mixtures was small. The assessment of reduction performance of NOx considering the application of photocatalyst showed a clearly decreasing reduction behavior, even if they were the same mortar mixture. Zeolite and active hwangtoh also showed a higher NOx reduction than the Plain mixture, because of their porosity properties. In the case of active hwangtoh, the absorption ratio was lower than that of zeolite mixture, but the reduction of NOx performance was better than the result of zeolite mixture.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Physical properties of cement
표 Table 2. Physical properties of zeolites and active hwangtoh
표 Table 3. Chemical composition of used 3 types of binder
그림 Fig. 1. The photos for placing the mortar containing mineral admixture in molds
그림 Fig. 2. The photos for flexural and compressive strength tests
표 Table 4. Mixing design of mortar
표 Table 5. Mixing design of mortar for absorption tests
그림 Fig. 3. The mechanism for application of photocatalyst to surface
그림 Fig. 4. The mechanism for the NOx reduction test
표 Table 6. Physical properties of photocatalyst
그림 Fig. 6. The results of absorption rate in mortar with 2 types of mineral admixture
그림 Fig. 5. The results of compressive and flexural strength in mortar with 2 types of mineral admixture
그림 Fig. 7. The results of performance for NOx reduction in mortar with 2 types of mineral admixture
그림 Fig. 8. The deceasing ratio of NOx concentration considering test period

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 무기계 혼화재료인 제올라이트 및 활성 황토를 모르타르 배합의 결합재로서 사용하였으며, 총 5가지 모르타르 배합을 대상으로 역학적 특성 및 광촉매 용액의 코팅을 고려한 NOx 저감 성능을 평가하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

제안 방법

2.흡수율 평가를 위해 물-결합재 비를 낮추고 제올라이트 및 활성 황토의 혼입율을 25%로 설정한 배합을 수행하였다. 흡수율 평가 결과 제올라이트 혼입 배합에서 가장 높은 흡수율이 나타났으며, Plain 배합과 활성 황토 혼입 배합은 비슷한 수준의 흡수율을 나타내었다.
또한 3,000ml/min의 유량을 유지하기 위해 Air의 유량을 2, 940ml/min, Gas 유량을 60ml/min으로 고정하여 혼합 공급하다. 가스 공급 직후 총 60분 동안 실험을 진행하였으며, 초기 10분 동안은 UV를 조사하지 않고, 챔버를 통과하여 배출되는 NO gas의 농도를 측정하였다. 이후 챔버 내부의 UV를 조사하면서 50분간 배출되는 NO gas의 농도를 측정하였다.
수행하였다. 각 무기계 혼화재료 별로 20%, 30%의 치환율을 고려하여 Plain 배합을 포함한 총 5가지 배합 설계를 수행하였다. 해당 모르타르 배합표를 Table 4에 나타내었으며 타설이 완료된 시편의 전경을 Fig.
각 배합의 NOx 저감 성능 평가는 증류수를 이용하여 발생시킨 Air와, Standard gas를 혼합한 혼합가스를 이용하여 수행하였으며, Standard gas(NO)와 Air를 1:50의 비율로 혼합하여 사용하였다. 혼합가스의 NO농도는 1ppm으로 유지하였으며, 공급유량은 3,000ml/min으로 유지하였다.
각 시편을 96시간 동안 수중 침지시킨 후 표면의 수분을 제거하여 표면 건조 포화 상태의 중량을 측정한다.
해당 배합을 대상으로 압축 및 휨 강도(재령 3, 7, 28일), 흡수율(재령 28일) 및 NOx 저감 성능 평가(재령 28일)를 수행하였으며 그 결과를 정량적으로 분석하였다. 또한 NOx 저감 성능 평가 시에는 광촉매 침지 조건을 고려하여 광촉매 코팅 유/무가 NOx 저감 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
아래 배합표에서 배합명 다음에 표시된 “*”는 흡수율시험 대상 배합을 의미한다. 또한 이 배합들은 다른 시험에 사용한 배합 보다 물-결합재 비를 낮추었으며 활성 황토 및 제올라이트의 혼입률을 25%로 설정하였다.
무기계 혼화재료의 혼입에 따른 흡수율 거동을 평가하기 위해 설계한 3가지 배합을 기반으로 흡수율 시험을 수행하였으며, 그 결과를 아래의 Fig. 6에 나타내었다.
본 연구에서는 2가지 종류의 무기계 혼화재료(제올라이트, 황토)를 시멘트의 대체재로 사용한 모르타르 배합을 수행하였다. 해당 배합을 대상으로 압축 및 휨 강도(재령 3, 7, 28일), 흡수율(재령 28일) 및 NOx 저감 성능 평가(재령 28일)를 수행하였으며 그 결과를 정량적으로 분석하였다.
시멘트를 제올라이트 및 활성 황토로 치환하여 모르타르 배합을 수행하였다. 각 무기계 혼화재료 별로 20%, 30%의 치환율을 고려하여 Plain 배합을 포함한 총 5가지 배합 설계를 수행하였다.
가스 공급 직후 총 60분 동안 실험을 진행하였으며, 초기 10분 동안은 UV를 조사하지 않고, 챔버를 통과하여 배출되는 NO gas의 농도를 측정하였다. 이후 챔버 내부의 UV를 조사하면서 50분간 배출되는 NO gas의 농도를 측정하였다. 광촉매 코팅을 고려한 NOx 저감 시험의 개요를 아래 Fig.
해당 배합을 대상으로 압축 및 휨 강도(재령 3, 7, 28일), 흡수율(재령 28일) 및 NOx 저감 성능 평가(재령 28일)를 수행하였으며 그 결과를 정량적으로 분석하였다. 또한 NOx 저감 성능 평가 시에는 광촉매 침지 조건을 고려하여 광촉매 코팅 유/무가 NOx 저감 성능에 미치는 영향을 평가하였다.

대상 데이터

28일 양생이 완료된 40 × 40 × 160mm 제원의 모르타르 시편을 대상으로 흡수율 시험을 수행하였으며, 모르타르의 흡수율의 경우 국내 시험 규정이 없기 때문에 기존의 문헌을 참고하여 아래와 같이 시험하였다(Bentz et al. 2002). 실험방법은 아래와 같다.
각 모르타르 배합의 NOx 저감 성능을 평가하기 위해 재령 28일의 모르타르 시편을 40 X 40 X 40mm의 크기로 절단한 후 증류수로 세척하였다. 이후 증류수에 24시간동안 침지시켰으며, 침지를 완료한 후 40℃ 조건에서 24시간 동안 건조시켰다.
활성 상태로 사용하였다. 또한 잔골재로는 표준사를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 물리적 특성을 Table 1에, 활성 황토 및 제올라이트의 물리적, 화학적 특성을 Table 2, Table 3에 나타내었다.
건조 후 TiO2 용액에 각 시편을 5분간 완전히 침지시킨 다음 다시 24시간 동안 40℃에서 건조시켜 광촉매를 모르타르 시편의 표면에 코팅하였다. 본 연구에서 사용한 광촉매 용액은 액상형 광촉매로서 광촉매 1액형 생산기술(특허 제 10-1487758호 ‘1액형 광촉매 코팅 및 조성물 및 그 제조 방법’)을 기반으로 생산되었다. 본 연구에서 사용한 액상형 광촉매 용액의 표면 코팅 메커니즘을 아래의 Fig.
본 연구에서 사용한 시멘트는 국내 H사의 1종 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 황토는 천연 황토를 약 850℃에서 소성시켜 활성 상태로 사용하였다. 또한 잔골재로는 표준사를 사용하였다.
실제 도로변 2차 제품에 사용되는 모르타르 배합에 무기계 혼화재료 치환 혼입을 적용하는 경우 발생하는 흡수율 변화 거동을 평가하고자 흡수율 시험은 Table 5와 같은 3가지 배합을 대상으로 수행되었다. 아래 배합표에서 배합명 다음에 표시된 “*”는 흡수율시험 대상 배합을 의미한다.

이론/모형

압축 강도 시험 및 휨 강도 시험은 40 × 40 × 160mm 크기의 모르타르 시험체를 제작하여 KS L ISO 679에 준하여 수행하였다. 목표 재령일은 재령 3일, 7일, 28일로 설정하였으며, 아래의 Fig.

성능/효과

1.역학적 성능 평가 결과, Plain 배합에서 가장 높은 압축 및휨 강도가 평가 되었다. 무기계혼화재료 혼입 배합의 경우, 종류와 상관없이 치환율의 증가에 따라 강도가 감소되었다.
3.광촉매 처리 유무를 고려한 모르타르 시편의 NOx 저감 성능을 평가한 결과, 모든 배합에서 광촉매 코팅을 수행한 경우 뚜렷한 NOx 농도 감소가 나타났다. 자외선에 노출된 광촉매 코팅에 의해 표면에서 발생한 OH 라디칼이 활발한 반응을 일으킨 것으로 판단된다.
3가지 모르타르 배합의 흡수율을 평가한 결과, 제올라이트 혼입 배합에서 가장 높은 흡수율이 나타났으며 일반 Plain* 배합 및 HW *배합에서는 비슷한 수준의 흡수율이 나타났다.
광촉매 처리 유무에 상관없이 Plain 배합에서 가장 높은 NOx 농도가 나타났다. 기존의 연구 결과에 따르면 황토 및 제올라이트를 혼입한 모르타르 시편은 다공성 재료의 특성을 갖기 때문에 Plain 배합 대비 높은 저감능을 나타낸 것으로 사료된다.
광촉매를 모르타르 시편에 코팅함으로서 뚜렷한 NOx 저감 성능을 확인할 수 있었다. 초기 10분 동안에는 NOx가 다소 증가하는 경우도 있었으나 그 이후로는 뚜렷하게 감소하였다.
3%로 제올라이트 치환 혼입 배합에서 가장 높은 증진율이 나타났다. 또한 각 배합의 경도를 Plain 배합의 강도를 기준으로 평가해 보면 ZEO 20 배합의 경우 83.8∼87.5%, ZEO 30 배합의 경우, 77.9∼78.9%, HW 20 배합의 경우 88.8∼87.9%, HW 30 배합의 경우 74.4∼78.8%의 값을 나타내었다.
무기계 혼화 재료가 포졸란 특성을 갖고 있지만, 본 시험은 재령 28일까지 평가하였기에 포졸란 반응이 발현되지 못하여 Plain 배합의 강도가 가장 높은 것으로 보인다. 또한 같은 치환율을 갖는 제올라이트와 활성 황토 혼입 배합 간에 강도 차이는 크게 평가되지 않았다. 초기 재령 일인 3일 기준 최종 재령일인 28일의 압축 강도 증진율을 평가하면 Plain 배합의 경우 212.
광촉매 처리 유무에 상관없이 Plain 배합이 다른 배합들 보다 높은 NOx 농도를 나타내었으며 이는 무기계 혼화재료의 혼입으로 인해 모르타르 시편이 다공질의 특성을 갖게 되었기 때문으로 사료된다. 또한 활성 황토 혼입 배합의 경우 흡수율은 Plain 배합과 비슷한 수준이었으나 NOx 저감능은 가장 우수한 결과를 나타내었다.
증가함에 따라 강도가 낮게 나타났다. 무기계 혼화 재료가 포졸란 특성을 갖고 있지만, 본 시험은 재령 28일까지 평가하였기에 포졸란 반응이 발현되지 못하여 Plain 배합의 강도가 가장 높은 것으로 보인다. 또한 같은 치환율을 갖는 제올라이트와 활성 황토 혼입 배합 간에 강도 차이는 크게 평가되지 않았다.
무기계 혼화재료가 치환 혼입되지 않은 Plain 배합에서 가장 높은 압축 및 휨강도가 평가되었으며, 제올라이트 및 활성 황토 치환율이 증가함에 따라 강도가 낮게 나타났다. 무기계 혼화 재료가 포졸란 특성을 갖고 있지만, 본 시험은 재령 28일까지 평가하였기에 포졸란 반응이 발현되지 못하여 Plain 배합의 강도가 가장 높은 것으로 보인다.
무기계혼화재료 혼입 배합의 경우, 종류와 상관없이 치환율의 증가에 따라 강도가 감소되었다. 재령 3일 기준 재령 28일의 압축강도 증진율을 평가하면 Plain 배합의 경우 212.5%, ZEO 20 배합의 경우 221.9%, ZEO 30 배합의 경우 215.0%, HW 20 배합의 경우 210.4%, HW 30 배합의 경우 203.3%로 제올라이트 치환 혼입 배합에서 가장 높은 증진율이 나타났다.
기존의 연구 결과에 따르면 황토 및 제올라이트를 혼입한 모르타르 시편은 다공성 재료의 특성을 갖기 때문에 Plain 배합 대비 높은 저감능을 나타낸 것으로 사료된다. 제올라이트 및 활성 황토를 혼입한 배합의 Plain 배합 대비 NOx 농도를 평가한 결과, ZEO 20 배합은 97.0∼97.1%, ZEO 30 배합은 90.5∼ 93.8%, HW 20 배합은 82.9∼85.5%, HW 30 배합은 78.6∼79.2%를 나타내었다. 일반적으로 흡수율이 높은 경우 내부 공극이 확보되어 높은 NOx 저감 성능을 기대할 수 있다.
일반적으로 흡수율이 높은 경우 내부 공극이 확보되어 높은 NOx 저감 성능을 기대할 수 있다. 제올라이트 혼입 배합의 경우 Plain 배합 대비 높은 흡수율을 갖기 때문에 Plain 배합을 기준으로 개선된 NOx 저감 성능을 나타내었으나, 활성 황토 혼입 배합의 경우 흡수율은 Plain 배합과 비슷한 수준이었으나 NOx 저감 성능은 가장 우수한 결과를 나타내었다.
흡수율 평가 결과 제올라이트 혼입 배합에서 가장 높은 흡수율이 나타났으며, Plain 배합과 활성 황토 혼입 배합은 비슷한 수준의 흡수율을 나타내었다. 제올라이트 혼입 배합의 흡수율은 Plain 배합 대비 약 114.3∼114.5%로 평가되었다.
제올라이트와 활성 황토를 대상으로 XRF 분석을 통하여 화학조성 분석을 실시한 결과, 제올라이트와 활성 황토의 주요 성분은 SiO2, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등으로 나타났다. 이는 포졸란 혼합물과 유사한 조성을 구성하고 있는 것으로 판단된다.
또한 같은 치환율을 갖는 제올라이트와 활성 황토 혼입 배합 간에 강도 차이는 크게 평가되지 않았다. 초기 재령 일인 3일 기준 최종 재령일인 28일의 압축 강도 증진율을 평가하면 Plain 배합의 경우 212.5%, ZEO 20 배합의 경우 221.9%, ZEO 30 배합의 경우 215.0%, HW 20 배합의 경우 210.4%, HW 30 배합의 경우 203.3%로 제올라이트 치환 혼입 배합에서 가장 높은 증진율이 나타났다. 또한 각 배합의 경도를 Plain 배합의 강도를 기준으로 평가해 보면 ZEO 20 배합의 경우 83.
흡수율 평가를 위해 물-결합재 비를 낮추고 제올라이트 및 활성 황토의 혼입율을 25%로 설정한 배합을 수행하였다. 흡수율 평가 결과 제올라이트 혼입 배합에서 가장 높은 흡수율이 나타났으며, Plain 배합과 활성 황토 혼입 배합은 비슷한 수준의 흡수율을 나타내었다. 제올라이트 혼입 배합의 흡수율은 Plain 배합 대비 약 114.

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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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