"SPS조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 6일 (금) 22:11 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 00000000..

영문 : 00000000..

과제 팀명

00000..

지도교수

000 교수님

개발기간

2019년 0월 ~ 2019년 0월 (총 0개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 박**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 이**

서울시립대학교 화학공학과 2014340039 이주호

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 신**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

1. 이산화탄소 배츨 저감을 위한 OPC 대체제 개발한다.

2. 폐자원, 비산재 및 슬러지 활용 방안 모색한다.

3. 비산재 및 슬러지 비율에 따른 시편의 물성 변화 파악한다.

4. 고온 조사 후, 소결화 및 결정화 등 다양한 변화 관찰 및 물성 변화 분석한다.

5. XRD, FTIR, SEM 및 TG/DSC 등 과학적 분석을 통해 화학 및 미세구조 변화 분석한다.

6. 열적 내구성을 갖춘 지오폴리머 합성한다.

개발 과제의 배경

1. 시멘트(OPC)로 인한 CO2 발생량이 총 발생량의 8%에 달한다. 시멘트를 대체할 물질을 개발해 CO2 발생량을 줄이고자 한다.

2. 매년 750만 톤의 석분슬러지가 발생하지만, 대부분이 매립되어 환경문제를 야기한다. 이는 적절한 재활용 방안이 마련되지 않기 때문이다. 이번 설계를 통해 슬러지의 활용 방안을 제시하고자 한다.

3. OPC는 열적 내구성이 낮아 500-600 ℃까지만 버틸 수 있다. 그에 반해, 비산재 기반 geopolymer는 상대적으로 열적 내구성이 높아 약 800 ℃까지 버틸 수 있다.

4. 슬러지는 기존 특허를 통해 내화벽돌로의 가능성을 살펴볼 수 있었다. 슬러지가 geopolymer에 합성되면 높은 열적 내구성을 발현할 수 있을 것으로 보인다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 인공 골재 제조공장에서 발생하는 석분 슬러지와 석탄 화력발전소 부산물인 비산재를 포함한 버려지는 자원의 활용도를 높이고 환경오염을 방지한다.

2. 고온에 노출된 후에도 높은 내구성을 가지는 geopolymer를 제조한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. 압축강도와 내구성

그림 1-4은 메타카올린(MK)에 부분적으로 0%(R), 15%(L15), 30%(L30), 60%(L60)의 슬러지(Water Treatment Sludge, WTS)를 혼합하였을 경우, 기계적 성질과 미세구조을 보여준다. WTS가 첨가될 경우에 지오폴리머의 압축강도는 감소하였으며, 압축강도 시험편으로부터 절단된 표면을 주사전자현미경(SEM)을 통해 미세구조를 살펴보았을 때, 다공성이 증가하였다. MK에 WTS를 15% 첨가한 경우, 28일에 압축강도는 을 가졌으며 모든 지오폴리머는 시간이 지남에 따라 압축강도가 증가되었음을 알 수 있다. 모든 경화 기간의 압축강도는 여러 건물 유형의 구성 요소에 필요한 최소 강도보다 높음으로 보아 MK에 WTS를 부분첨가해 지오폴리머를 제작하는 것이 기술적으로 가능함을 알 수 있다.

출처 : Geraldo, Rodrigo H., Luiz FR Fernandes, and Gladis Camarini. "Water treatment sludge and rice husk ash to sustainable geopolymer production." Journal of cleaner production 149 (2017): 146-155.

그림 7은 슬러지를 에서 건조한 것과 , , 에서 소성과정을 거친 후 합성한 지오폴리머의 압축강도를 보여준다. 에서 건조하여 양생한 지오폴리머는 압축강도가 거의 발현되지 않았고, 에서 소성된 슬러지를 이용한 지오폴리머에서 가장 높은 압축강도가 발현되었다. 고온의 소성을 거치게 되면 소결 등의 현상으로 입자의 구조가 변하거나 내부에 잔존하는 유기물이나 탄소화합물이 제거된다. 고온에서 이런 반응을 통해 높은 압축강도를 얻어낼 수 있다.

출처 : Waijarean, Naprarath, Suwimol Asavapisit, and Kwannate Sombatsompop. "Strength and microstructure of water treatment residue-based geopolymers containing heavy metals." Construction and Building Materials 50 (2014): 486-491.

그림8에서 100% SPS를 사용한 모든 시편의 압축강도는 매우 낮았다(0.5-1.3MPa). 이러한 샘플의 낮은 강도는 fly ash가 없는 SPS의 알칼리 활성화 정도가 낮기 때문으로 보여진다. 이것은 SPS로만 알칼리 활성화된 반죽을 만들 때, 높은 강도의 반죽을 얻는게 힘들다는 것을 의미한다. 그림 9와 10은 알칼리 활성화 비율에 따른 SPS 50%가 첨가된 fly ash 기반 geopolymer의 강도를 보여준다. 그림 8로부터 압축강도의 경향은 그림 7과 유사하게 비율이 1.5에서 가장 높은 값을 나타냈다. 따라서, 이번 연구에 의하면 SPS를 사용한 fly ash 기반 geopolymer의 최적인 알칼리 활성화 비율은 1.5이다.

그림 11에서 관측할 수 있듯이 낮은 NaOH 수용액 농도 (5 M NaOH)에서는 반응하지 않은 구형 fly ash의 높은 비율이 남아있는 것이 보인다. 추가적으로, 5 M NaOH 시편의 표면에 몇몇 구멍이 관측된다. 이는 낮은 강도 발현을 야기한 낮은 NaOH 농도로 거의 geopolymerization이 발생하지 않았기 때문이다. 그림 11의 A 구역의 EDS 분석결과 적은 양의 Na가 포함된 전형적인 fly ash 와 SPS 입자의 aluminosilicate가 관측된다. 하지만, 그림 11의 B 구역의 반응물은 Na, Al 그리고 Si 로 구성된 geopolymer 수지로 구성되어있다. 이는 많은 활성화 반응이 15M NaOH 수용액에서 발생한다는 것을 의미한다. 양생하는 온도 효과로부터 25 ℃와 80 ℃ 시편의 사진을 비교하면 25 ℃의 반응하지 않은 fly ash 입자의 수는 80 ℃의 수보다 많다. 이는 상온 상태에서 느린 알칼리 활성화와 관련이 있다.

그림 12.은 양생 후 3,7,28일 지난 시점에서 비교한 그래프이다. 알칼리 활성화 비산재 혼합물을 10%, 20%, 30% 첨가한 F90, F 80, F70의 질량은 슬러지가 0%인 FAC보다 질량이 낮음을 확인할 수 있다. 이것은 비산재와 고로슬래그에 비해 석재 분말 슬러지의 비중이 낮기 때문일 것이다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

특허1. 건설 폐기물 순환골재 기반 고강도 지오폴리머 (출원번호: 10-2013-0024918)

1. 1. 특허 배경 및 목적

환경부에 따르면 건설폐기물이 총 폐기물의 51%를 차지하고 있다. 수치로 환산하면, 연간 폐콘크리트 발생량이 2020년 기준으로 1억 560만 톤에 달할 것으로 예상된다. 전처리과정을 생략한 폐콘크리트를 활용해 고강도 지오폴리머 제조방법을 도출했다. 이를 통해, 건축물에서 발생되는 폐콘크리트의 효율적 처리 방안을 제안한다.

1. 2. 특허 청구 범위

1. 3. 특허 실시예

특허2. 석탄 바닥재 기반 고강도 지오폴리머 (출원번호: 10-2018-0042509)

2. 1. 특허 배경 및 목적

일반적으로 지오폴리머는 입자 크기가 작은 석탄 비산재로 합성된다. 반면, 입자 크기가 수 밀리미터에서 수 센티미터까지 불규칙한 바닥재는 비산재처럼 활용되지 못하고 매립된다. 비산재와 구성 성분이 유사한 바닥재를 활용해 지오폴리머를 합성해, 시멘트 산업에서 발생되는 이산화탄소의 양을 절감시키고 바닥재 처리 방안을 제안한다.

2. 2. 특허 청구 범위

2. 3. 특허 실시예

특허3. 활성 고령토와 폐무기슬러지 기반 고강도 지오폴리머 (출원번호: 10-2016-0028821)

3. 1. 특허 배경 및 목적

폐무기슬러지는 알루미나와 실리카로 이루어져 있어, 알로미노 실리게이트 구조를 이루는 지오폴리머 원료물질로 적합할 것으로 사료된다. 해양투기나 매립으로 폐기되는 무기질 슬러지에 활성 고령토를 혼합하여 경화시킴으로써, 폐무기슬러지를 고화제로 활용할 가치가 있다. 이를 기반으로 시멘트 산업에서 발생되는 이산화탄소의 양을 절감시키고 친환경적인 폐무기슬러지 처리 방안을 제안한다.

3. 2. 특허 청구 범위

특허4. 폐촉매 슬래그와 실리콘 슬러지 기반 경량 기포 고강도 지오폴리머 (출원번호: 10-2016-0028821)

4. 1. 특허 배경 및 목적

건축 활용도를 높이기 위해서는 압축강도가 1.5MPa 이상이며 겉보기 비중이 0.5~0.7인 경량 기포 지오폴리머의 개발이 필요하다. 기존의 고로슬래그나 메타카올린과 제품을 사용하지 않고 산업체에서 발생되는 폐기물인 폐촉매 슬래그만을 100% 사용해 지오폴리머를 제작할 수 있다. 특히, 경량화를 위한 발포제는 반도체 웨이퍼 공정에서 발생되는 실리콘 슬러지를 활용했으며 이는 다량의 이산화탄소를 발생시키지 않는 장점이 있다.

4. 2. 특허 청구 범위

4. 3. 특허 실시예

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 지오폴리머는 기존 포틀랜드 시멘트에 비해 압축강도가 높아 시멘트 대체재로 사용될 수 있다. 2. 석분 슬러지 기반 지오폴리머의 압축강도는 여러 유형의 건물에 필요한 강도를 만족시킨다. 3. 고층 건물이나 터널에서 화재가 발생하더라도 지오폴리머는 일정 수준 이상 압축강도를 가지고 있어 열대형 사고를 방지할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 산업폐기물인 슬러지는 국내에서 연간 약 750만 톤이 발생한다. 슬러지는 유기물 분해 목적으로 토양에 사용되거나 매립된다. 슬러지를 첨가한 고강도 지오폴리머는 이러한 슬러지의 효율적 처리방안을 도출하고 매립 비용을 절감시킨다. 2. 슬러지 토지 매립에 의한 토지 자원 부족을 해결할 수 있다. 3. 지오폴리머는 시멘트 제조과정와 달리 고온의 소성 공정이 없어 10~30% 생산비용을 절감시킨다. 4. 강과 하천을 비롯한 배수시스템으로 버려지는 슬러지 양을 줄여 환경에 긍정적 효과를 일으킨다. 5. 음용수질을 개선해 사람과 동물의 건강에 직간접적으로 긍정적인 영향을 제공한다. 6. 시멘트 산업으로 발생되는 을 줄여 환경보호에 소모되는 2차 비용 손실을 절감시킨다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

1. 본 설계에 있어, 영월 화력발전소에서 비산재를, 하남시 인공골재공장에서 슬러지를 조달받았다.

2. 시편은 다음과 같이 제작한다. 비산재와 슬러지를 다양한 비율(10:0, 6.7:3.3, 5:5 등)을 혼합한 후, 14 M NaOH 수용액을 고체비율 대비 0.28로 혼합한다. 5 cm 큐브 몰드에 넣어 90 ℃ 오븐에서 24시간동안 양생하여 완성한다.

3. 완성된 시편을 전기로에 넣고 고온(300 ℃, 600 ℃, 900 ℃ 등)에 2시간동안 노출하여 열에 의한 geopolymer의 변화를 관찰한다.

4. 고온에 조사된 시편의 물성을 측정하고, XRD와 FTIR 그리고 SEM 등의 분석을 통하여 물질의 화학구조 및 미세구조의 변화를 파악하여 물성변화의 요인을 조사한다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용