비활성필러
비활성필러는 알칼리 자극에 의해 거의 영향이 없는 물질들로 천연으로 산출되는 점토류, 모래류, 석분류 등이 해당된다. 이러한 비활성 필러는 활성필러의 반응을 통한 공극이나 골격형성에 있어서 뼈대를 이루는 것으로 강도발현 및 성형체의 크랙방지, 충전제로서의 역할을 담당하게 된다. 본 연구에서는 B 소각장에서 발생된 산업폐기물 소각재가 해당된다. 산업폐기물 소각재는 지오폴리머 기재의 축을 이루는 실리카와 알루미나가 10% 미만으로 포함되어 있기 때문에 반응생성물이 작으며, 내부에 존재하는 다량의 가용성 염과 중금속 등도 지오폴리머 반응에 영향이 작다.
B 소각장의 산업폐기물 소각재의 화학성분을 분석하였다. CaO 47.3 wt.%와 CI 24.0 wt.%로 나타났으며, geopolymerisation의 기본 구조가 되는 SiO2 와 Al2O3의 성분이 각각 3.5 wt.%와 0.4 wt.%로 그 양이 매우 적었다. 그 외 Na2O, K20, SO3, ZnO가 미량 함유되어 있음을 확인 할 수 있었으며, 화학성분 중 CaO의 함유량이 높긴 하지만 필요한 SiO2와 Al2O3의 함유량이 적어 활성필러로 작용할 가능성이 낮기 때문에 본 연구에서는 비활성필러로서 이용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다. 또한 CaO 의 함량이 매우 높기 때문에 Ca 이온을 이용한 기능성 원료로서의 활용성도 검토해 볼 수 있을 것이다.
아래 그림은 입도분석을 실시한 결과이며, 소각재의 입도분포가 매우 고른 것 을 알 수가 있으며, 입도분포의 폭은 0.5~50 um의 범위로 구성되어 있음을 알 수 있다.
전자현미경 사진을 나타낸 것으로 약 5~10 m 정도의 구상 입자들이 존재하고 있으며, 약 1 m정도의 괴상의 입자들도 관찰되고 있다. 이 입자들의 비표면적을 측정한 결과 약 43.50 ㎡/g으로 나타났다.
반응용액(활성화제)
Geopolymer 반응의 구성요소는 활성필러, 비활성필러, 반응용액으로 크게 3가지로 구분되며, 활성필러는 geopolymerisation 반응에 적극적으로 참여하며, 비정질의 결정구조 특성을 갖는 물질로서 반응용액에 의해서 geopolymeric matrix를 형성하는 주요한 역할을 하는 것이다. 비활성 필러는 반응에 참여는 약하지만, monolith를 형성함에 있어서 골격역할을 하고 강성을 띠며, 충진성을 좋게 해주는 역할로 작용한다. 마지막으로 activator는 활성필러를 알칼리 자극하기 위한 것으로, NaOH, KOH, Sodium silicate, Potassium silicate 등이 여기에 속한다. 반응용액은 이들 각 개개의 물질이 가능하며, 2가지 이상을 혼합하는 것도 가능하다.
특히 geopolymerisation에 가장 큰 영향을 미치는 것이 반응 용액의 종류이며, 반응용액의 pH가 가장 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 왔다. 또한 반응용액의 pH는 13.0 이상으로 될 때 효율적인 용출성을 나타낼 수 있는 것으로 많은 연구자에 의해서 보고되고 있다. 반응 용액은 활성필러와 비활성 필러의 혼합물과 접촉시 필러의 표면을 자극하며, 시간경과에 따라 내부로 확산하게 된다. 지오폴리머 반응생성물은 반응용액의 pH에 큰 영향이 있다.
따라서 활성화제의 pH는 13이상으로 하는 것이 바람직하며, pH를 향상시키기 위한 것으로 NaOH와 KOH 등이 사용되고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 방법과 과정을 통하여 활성화제를 제조하였으며, 액상을 개질하여 1차년도 제품의 물리적 특성을 향상하고 각종 환경적 특성을 개선하고자 하였다. 액상은 예비실험을 통하여 2종으로 진행하였으며, 액상의 선정 및 제조는 K20/SiO2 몰비를 통하여 하였다. K2O/SiO2 몰비는 0.65와 0.80의 2가지로 크게 구분하였다. 반응 용액의 결정은 아래 실험과정에서도 설명하는 바와 같이 예비실험을 통하여 최적의 액상범위를 설정하고 이를 적용하여 제품성형을 실시하였다.