[논문]소성된 굴패각의 액상소석회로의 전환 특성

하수현; 김영규

doi:10.22807/kjmp.2020.33.3.185

소성된 굴패각의 액상소석회로의 전환 특성
Transformation Characteristics of Calcined Oyster Shell to Liquid Lime 원문보기

광물과 암석 = Korean journal of mineralogy and petrology, v.33 no.3, 2020년, pp.185 - 193

하수현 (경북대학교 지구시스템과학부) , 김영규 (경북대학교 지구시스템과학부)

초록
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자원의 재활용 관점에서 굴패각의 소성에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 굴패각을 소성시켜 만들어진 생석회는 건식으로 사용되기도 하고 물과 반응을 시켜 액상소석회로 변환시킨 뒤 사용되기도 한다. 그러나 굴패각은 석회석과는 약간 다른 소성 및 액상소석회 변화의 특성을 보여준다. 본 연구에서는 굴패각과 이를 비교하기 위한 석회석을 소성시켜 생석회를 만든 후 이를 다양한 온도의 물과 반응시켜 액상소석회로 변환 실험을 실시하였다. 액상소석회로 변환 후 150 ㎛의 체를 이용하여 거르고 액상소석회로의 전환률을 계산하였다. 소성된 석회석은 모든 온도에서 액상소석회로 전환되었다. 그러나 굴패각의 경우 본 연구의 실험조건 중 30℃와 50℃에서 액상소석회로 변환되지 않고 오히려 물과의 반응을 통하여 만들어진 Ca(OH)₂의 존재로 질량이 증가하였으며 90℃에서도 석회석 보다는 낮은 액상소석회 전환률을 보여주었다. 굴패각에서 보여주는 이러한 차이는 굴패각의 각주층과 진주층에서 발견되는 단백질의 일종인 콘키올린이 높은 온도에서도 분해되지 않아 물과의 반응을 감소시켜 생기는 결과로 일부 설명할 수 있다. 그러나 콘키올린이 존재하지 않는 초크층에서도 석회석 보다 액상소석회의 변화률이 낮음을 보여준다. 이것은 석회석에는 거의 존재하지 않으나 굴패각에서 미량으로 존재하는 Na에 의하여 소성 시 패각의 방해석이 공융용융체 형성과 같은 추가적인 반응에 의한 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

There have been many studies on the calcination of oyster shells in the perspective of recycling of resources. The quicklime made by the calcination of oyster shells is used either as it is or after reacting with water to transform to liquid lime before being used. However, the liquid lime made from calcined oyster shells show slightly different properties from that of limestone. In this study, to compare these properties of oyster shell with those of limestone, the samples were calcined and reacted with water at various temperatures to transform to a liquid lime and filtered using 150 ㎛ sieves to calculate the transform rate to liquid lime. The calcined limestone was transformed to liquid lime at all temperatures, but calcined oyster shell did not show any transformation at 30℃ and 50℃ under the experimental conditions of this study, and rather increased the weight for the remaining after filtration due to the presence of Ca(OH)2 produced by the reaction with water, Even at 90℃, the transformation rate of calcined oyster shell to liquid lime was lower than that of limestone. This difference in oyster shell can be explained partly by the preventing calcined one from reacting with water by conchiolin which is protein found in the prismatic and pearl layers of oyster shell. Conchiolin is also known to be stable and does not decompose even at high temperature. However, even the calcined chalk layer without conchiolin shows lower transformation rate than that of calcined limestone, probably due to the small amount of Na in oyster shell, which may cause additional reaction including eutectic melt during calcination process.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the vertical section of the oyster shell.
$Fig. 2. X-ray diffraction patterns of oyster shells and limestone before and after calcination at 900oC for 2 hours.$ 그림 Fig. 2. X-ray diffraction patterns of oyster shells and limestone before and after calcination at 900oC for 2 hours.
그림 Fig. 3. SEM images and EDS patterns of Taean oyster shells: (a) Prismatic layer, (b) Nacreous layer.
표 Table 1. Transformation rate* to liquid lime in oyster shells and limestone (%, P+N: prismatic and nacreus)
그림 Fig. 4. SEM images of limes left in the sieve after hydrating in water at 90oCfor 3 hours: (a) Taean oyster shell, (b) Limestone, (c), (d) Tongyoung oyster shell, (e), (f) Prismatic layer + Nacreous layer, (g), (h) Chalk layer.
표 Table 2. Chemical composition of oyster shells and limestone analyzed by XRF (wt %)
표 Table 3. Microchemical composition of layer structures of oyster shells analyzed by EPMA (wt %)
그림 Fig. 5. SEM images of limes left in the sieve after hydrating in water at 90oC for 3 hours: (a) Taean oyster shell, (b) Limestone, (c),(d) Tongyoung oyster shell, (e), (f) Prismatic layer + Nacreous layer, (g), (h) Chalk layer.

AI 본문요약
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문제 정의

액상 소석회의 경우 반응성이 높고 사용하기가 편리하나 본 연구실에서 수행된 사전 연구에 의하면 굴패각의 경우 석회암과 비교하였을 때 액상화의 진행이 느린 것으로 나타났다. 본 연구에서는 굴패각과 석회암의 소성 후 만들어진 생석회에 대한 액상화의 특성과 더불어 이러한 액상화의 차이가 어떠한 원인에 의하여 발생하는지 밝히고자 하였다.

제안 방법

솔질된 굴패각은 최종적으로 초음파 세척기를 이용하여 40 kHz로 10분 정도 세척한후 50^oC의 오븐에 24 시간 건조 후 실험에 사용하였다. 굴패각 시료의 분석 및 반응 후의 변화들을 관찰하기 위하여 볼 밀 분쇄기를 이용하여 분쇄 후 경북대학교 공동실험 실습관에서 X-선 회절 분석(X-Ray Diffractometer, XRD, D/Mas-2500, Rigaku)을 실행하였다. 분석 조건은 Cu-Kα 18 kW, 2θ 5-50°, 측각 간격(step size) 0.
비슷한 연구로 Grégoire와 동료 연구자들은 150oC에서 900oC까지의 온도변화 중 일어나는 앵무조개(Nautilus)의 유기물 변화에 대하여 투과전자현미경(Transmission electron microscope, TEM)과 생화학적 분석 연구를 수행하였다.
수화 후 생성된 액상 소석회를 150 μm 체에 통과시켜 남은 고체를 50^oC 오븐에 24 시간 건조하였다. 수화되기 전의 시료무게와 체에 거르고 남은 고체의 질량을 측정하여 그 차이를 계산하여 액상화 전환율로 계산하였다.
각 시료들의 주성분을 분석하기 위하여 한국기초과학지원연구원 서울센터에 있는 X-선 형광분석(X-ray fluoresecnce, XRF, PW2404, Philips)을 이용하였다. 시료의 각 부분에 대한 화학조성을 비교하기 위하여 각 패각 시료를 절단하여 레진에 굳힌 후 연마편으로 만들어 경북대학교 공동실험 실습관에 있는 전자현미 분석기(Electron Probe Micro Analyzer, EPMA, JXA8530F(5CH), JEOL)로 각주층, 진주층, 초크층에 대하여 각 구조 내의 화학 성분변화를 측정하였다. 분석 조건은 15 nm 두께의 탄소 코팅을 하였으며 가속전압(acceleration voltage) 15 kV, 기부 전류(base current) 50 nA, 빔 직경은 10 μm의 조건을 사용하였다.
액상소석회 변화 후에 150 μm 체를 통과하지 못한 시료들의 표면 특징 및 구조변화를 관찰하기 시료를 건조시킨 후 각 시료들에 대하여 경북대학교 공동실험실습관의 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, SEM, SUB8220, Hitachi)을 이용하여 표면을 관찰하였고 분석 조건은 Pt 코팅, 가속 전압 5.0 kV, 기부 전류 15 nA이었다.
액상소석회의 변화정도를 알아보기 위하여 분쇄하지 않은 태안, 통영 굴 패각과 탈황용 석회암, 그리고 추가로 굴 패각에서 분리한 입자 사이즈 2-5 mm의 각주층과 진주층, 초크층을 900^oC의 오븐에서 2시간 소성한 후 증류수와 반응시켜 수화한 후 액상 소석회를 제조하였다. 이들 시료의 수화 조건은 항온수조기를 이용하여 30, 50, 70, 90^oC에서 3 시간, 175 rpm이었다.
이러한 낮은 전환율의 원인을 알아보기 위하여 굴패각에 대하여 콘키올린으로 연결되어 있는 각주층과 진주층, 그리고 콘키올린을 함유하고 있지 않은 초크층을 분리하여 앞의 시료들과 동일한 조건에서 액상소석회 전환율을 측정하였다(Table 1, Fig. 3). 이 결과 각주층과 진주층의 경우는 온도가 증가하면서 태안과 통영의 굴패각과 비슷한 액상소석회 전환 특성을 보여주었다.
분석 조건은 15 nm 두께의 탄소 코팅을 하였으며 가속전압(acceleration voltage) 15 kV, 기부 전류(base current) 50 nA, 빔 직경은 10 μm의 조건을 사용하였다. 추가로 태안 굴 패각을 경북대학교 공동실험실습관의 X-선 에너지분광기(Energy dispersive X-ray Spectroscopy, EDS, SU8220, Hitachi)를 이용하여 각주층, 진주층에 대하여 각 구조 내의 화학 성분을 분석하였다. 시료를 백금으로 코팅하였으며 가속 전류 15.

대상 데이터

본 연구를 위하여 태안, 통영 지역의 양식 굴패각과 한국서부발전소의 태안발전본부에서 사용하는 탈황용 석회석을 사용하였다. 굴패각의 경우 바다의 소금과 해양 퇴적물 등의 불순물을 제거하기 위하여 2차 증류수를 이용하여 솔질을 한 후 2-3일 정도 2차 증류수에 보관하였다.

이론/모형

각 시료들의 주성분을 분석하기 위하여 한국기초과학지원연구원 서울센터에 있는 X-선 형광분석(X-ray fluoresecnce, XRF, PW2404, Philips)을 이용하였다. 시료의 각 부분에 대한 화학조성을 비교하기 위하여 각 패각 시료를 절단하여 레진에 굳힌 후 연마편으로 만들어 경북대학교 공동실험 실습관에 있는 전자현미 분석기(Electron Probe Micro Analyzer, EPMA, JXA8530F(5CH), JEOL)로 각주층, 진주층, 초크층에 대하여 각 구조 내의 화학 성분변화를 측정하였다.

성능/효과

굴패각과 석회석의 소성물에 대한 액상 소석회로의 변환 실험을 실시하고 150 μm의 체를 이용하여 전환률을 계산한 결과 이들의 액상소석회 전환은 시료 및 온도에 따라 차이가 있음을 보여준다. 석회석의 경우 낮은 온도에서 조차 쉽게 액상소석회로 변환됨을 보여 주는데 반하여 굴패각의 경우는 액상 소석회로의 변환이 쉽지 않았다.
즉 온도가 증가할수록 액상소석회로의 전환율은 증가하였으나 물의 온도가 90^oC가되어도 석회석처럼 완전한 전환은 일어나지 않았다. 굴패각의 경우 낮은 온도에서는 도리어 최초 소성된 시료 보다 체에 남은 시료의 질량이 증가하여 액상화 진행율이 음의 값을 보여주는데 이는 액상소석회로 전환되지 않고 남아 있는 시료의 표면에서 추가적인 수화반응이 일어나서 Ca(OH)₂가 형성되었기 때문이며 이는 추가적으로 수행한 SEM 관찰로 확인되었다. 석회석에 비하여 굴패각의 액상소석회 전환율이 낮은 것은 여러 원인에 의한 것으로 생각할 수 있다.
따라서 Na의 경우 소성 시 표면 특성 변화와 관련하여 표면적의 변화가 일어날 수 있음을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서도 굴패각에서 보여주는 Na의 함량이 공융용융체 또는 이와 연관된 현상에 의하여 석회석에 비하여 물에 쉽게 액상화가 되지 않는 하는 추가적인 원인이 될 수 있음을 보여준다.
굴 패각의 최외각에는 각주층 또는 진주층이 존재하는데 각주층과 진주층이 물에 풀어지지 않으면 내부에 있는 초크층 또한 풀어질 수 없을 것이다. 따라서 상대적으로 액상소석회로 잘 변환되는 초크층은 통영의 굴 패각이 상대적으로 많음으로 인하여 통영의 액상소석회 반응이 더 활발할 것으로 예상되며 이러한 결과는 통영의 굴패각이 좀더 높은 액상소석회 전환율을 보이는 것으로 설명할 수 있다.
3). 이 결과 각주층과 진주층의 경우는 온도가 증가하면서 태안과 통영의 굴패각과 비슷한 액상소석회 전환 특성을 보여주었다. 즉 낮은 온도에서는 질량의 증가를 보여주고 90^oC되어서야 액상소석회로 50 % 정도가 전환됨을 보여준다.
(2006)은 산호에 존재하는 콘키올린을 다양한 분석방법을 통하여 연구하였다. 이들은 상온부터 800^oC까지 온도를 높인 시료에 대하여 HPLC 분석 결과를 통하여 큰 분자량의 유기물들이 성분과 특성이 변하고 더 작은 분자량의 유기물로 변화되기는 하였지만 완전히 분해되지 않았음을 제시하였다. 이러한 결과는 일반적인 유기물과 달리 생광물 작용과 연관된 유기물은 광물과의 밀접한 연관성있어 일반적인 유기물과 다를 수 있음을 보여준다.
이들은 상온부터 800^oC까지 온도를 높인 시료에 대하여 HPLC 분석 결과를 통하여 큰 분자량의 유기물들이 성분과 특성이 변하고 더 작은 분자량의 유기물로 변화되기는 하였지만 완전히 분해되지 않았음을 제시하였다. 이러한 결과는 일반적인 유기물과 달리 생광물 작용과 연관된 유기물은 광물과의 밀접한 연관성있어 일반적인 유기물과 다를 수 있음을 보여준다. 비슷한 연구로 Grégoire와 동료 연구자들은 150^oC에서 900^oC까지의 온도변화 중 일어나는 앵무조개(Nautilus)의 유기물 변화에 대하여 투과전자현미경(Transmission electron microscope, TEM)과 생화학적 분석 연구를 수행하였다.
또한 쐐기형태의 결정도 역시 Ca(OH)₂가 결정화한 것이다(GarcíaCarmona, 2003). 이러한 수화작용의 결과 체에 남은 소성물의 질량이 증가하여 굴 패각의 경우 체를 통과시킨 후 측정한 액상화 전환률이 음의 값이 갖게 되었다. 탈황용 석회암의 경우 남아있는 고체는 석회석 자체에 포함되어 있던 장석과 같은 불순물로 생각되어진다(Fig.
즉 낮은 온도에서는 질량의 증가를 보여주고 90^oC되어서야 액상소석회로 50 % 정도가 전환됨을 보여준다. 이에 비하여 초크층의 경우 굴패각과는 다른 액상소석회 전환울을 보이며 30^oC의 낮은 온도에서도 일부 액상 소석회가 조성이 되었고 온도가 증가할수록 액상소석회의 변화가 증가하여 90^oC에서는 약 82 % 정도의 전환율을 보여주었다. 그러나 이러한 전환율도 석회석에 비하면 약간 낮은 수치이다.
석회석의 경우 낮은 온도에서 조차 쉽게 액상소석회로 변환됨을 보여 주는데 반하여 굴패각의 경우는 액상 소석회로의 변환이 쉽지 않았다. 즉 온도가 증가할수록 액상소석회로의 전환율은 증가하였으나 물의 온도가 90^oC가되어도 석회석처럼 완전한 전환은 일어나지 않았다. 굴패각의 경우 낮은 온도에서는 도리어 최초 소성된 시료 보다 체에 남은 시료의 질량이 증가하여 액상화 진행율이 음의 값을 보여주는데 이는 액상소석회로 전환되지 않고 남아 있는 시료의 표면에서 추가적인 수화반응이 일어나서 Ca(OH)₂가 형성되었기 때문이며 이는 추가적으로 수행한 SEM 관찰로 확인되었다.

후속연구

이 외에도 패각에 존재하는 Na는 이들이 소성될 때 공융용융체 등과 같은 현상으로 굴패각이 전체적으로 석회석에 비하여 액상소석회 반응이 쉽게 일어나지 않게 하는 역할을 하는 것으로 생각된다. 따라서 굴패각의 경우 재활용을 위하여 건식 방법이 더 효율성이 있을 것으로 생각되며 액상 소석회로 사용 시 추가적인 처리 방법의 적용이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소성된 생석회가 이용되는 곳은?	소성된 생석회는 건식으로 사용되기도 하지만 굴패각의 재활용성을 높이기 위하여 물과 반응시켜 액상으로 만든 후 습식탈황시설에 사용되기도 한다(Kim et al., 2019).
	굴패각의 상당량이 재활용 되지 못하는 이유는?	, 2019b). 이들 중 일부는 굴의 파종, 양계의 사료 및 농업 비료 등으로 재활용 되고 있지만 굴 패각에 포함된 염분으로 인하여 토양의 투과성이 낮아진다는 문제가 있어 비료로써의 사용이 제한되고 있고 상당량은 재활용이 되지 못하고 있다(Lee et al., 2008).
	굴패각이란?	석회암 외에도 폐기물로 나오는 조개 패각이나 달걀껍질 등도 석회암을 대신할 수 있는 탄산칼슘의 공급원으로 생각할 수 있다. 이중 굴패각은 굴 양식업에서 발생하는 부산물로 국내에서 발생하는 굴패각은 약 30 만 톤 내외로 발생한다(Moon et al., 2011; Ha et al.

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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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