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국내의 슬러지 열건조 기술분야는 다양한 건조대상물의 물리, 화학적 특성에 관한 자료가 부족하고 시스템내의 복잡한 유동 및 물질전달에 관한 해석의 어려움으로 인하여 제작업체의 경험과 모방설계에 의해 제작되고 있다. 따라서 주요 설계기술, 핵심요소기술 및 제어기술 등은 미국, 일본 및 독일 등 선진국의 기술도입에 의존하고 있는 실정이다.

특히, 건조기술의 국외설계가 약 34%, 국외제작이 37%정도를 차지하고 있어 기술의 해외의존도가 비교적 높다. 이러한 여건에서 국내 건조기 전문업체의 부재에 따른 설계 및 제작기술의 미흡으로 건조성능의 저하가 우려되고 있으며, 에너지이용효율이 선진국에 비해 낮은 실정에 있다. 또한 대부분의 제작업체들이 영세중소기업으로써 자체 기술개발력이 취약하여 기술개발에 대한 투자가 저조하고 전문기술인력도 부족한 실정이다.

최근 산업용 건조기에 대하여 일부 정부 출연연구소 및 관련 기업을 중심으로 분무건조기, 통기건조기, 회전건조기 및 유동층건조기 등의 개발이 추진되었다. 한편 유기성 폐기물 처리와 관련하여 음식물쓰레기 처리를 위한 교반형 열전도건조기가 일부 제작업체를 중심으로 개발되었으며, 중·소형규모는 국내 설계 및 제작이 가능한 수준에 도달하였다. 그러나 대용량의 경우 일부 제작업체에서 미국, 독일 및 일본 등과의 기술제휴를 통해 열전도건조기를 제작하고 있으나 설계기술이 미흡하고 성능 및 내구성 면에서 선진국에 비해 뒤떨어져 있다.

국내 슬러지 건조기술에 대한 연구개발의 역사는 매우 짧고 체계적인 연구개발이 추진되지 못하였으며, 약 10여년 전부터 환경부와 산업자원부 등을 중심으로 건조장치의 고효율화 및 소각공정과의 연계 시스템에 관한 연구개발이 일부 추진되었다. 특히, 출연연구소 및 환경설비 제작업체를 중심으로 중·소규모의 간접가열방식의 디스크건조기 및 패들건조기 등이 개발되어 요소기술의 설계 및 제작기술을 확보하였다. 또한 직접가열방식의 슬러지 건조기술과 관련하여 회전건조기의 투입부에 초단축 분사식 파쇄기를 부착한 시스템과 소각공정과 연계한 열풍시스템 및 직접가열방식과 간접가열방식을 조합한 복합건조 시스템 등의 개량기술이 개발되어 현장 적용실험을 수행하였다.

그러나 건조기 성능 및 열효율측면에서 선진국에 비해 낮은 수준에 있으며, 대형 건조기의 설계 및 제작기술, 엔지니어링 기술, 건조 후처리기술 등은 선진국에 비해 많이 뒤떨어져 있는 실정이다.

개정된 폐기물 관리법에서도 지금까지 폐기물 사용과 관련하여 그간 정부와 업계간이 자발적 협약으로 관리해 오던 것을 법제화 하였다. 따라서 2012년 7월이후부터 유해물질 함유 폐기물은 시멘트 제조에 사용을 엄격히 금지하고 있다. 사업장에서 발생되는 폐기물의 처리 방법으로 단지내에서 재활용하는 방법과 탈수· 건조를 통하여 시설 매립장에 매립 하도록 하고 있다. 수도권 매립지 관리공사에서는 2012년 3월 1일부로 기존 매립비용을 약 82%상승시켰다. 향후, 지속적으로 발생될 폐기물을 안정적으로 처리함과 동시에 폐기물 처리비용을 안정화시키기 위하여 방안마련이 시급하다. 이에 한국산업단지공단에서는 산업단지내 집단화 단지에서 발생하는 유기성슬러지 등의 효율적 처리를 위하여 다양한 기술에 접근하고 있으며, 특히 애로사항이 다양하게 표출되고 있는 염색단지를 대상으로 슬러지의 안정적 처리를 위해서 융복합시스템을 도입하고 있다. 폐기물 처리비용을 절감시키고, 처리후 발생되는 폐열과 부 산물을 재활용함으로써 환경적, 경제적 효과를 증대하여 생태산업단지를 구축하는데 이바지 하고 있다.

슬러지 처리기술

산업단지에서 발생되는 폐기물 중에는 산업에서 이용된 폐수를 처리하는 과정에서 폐수처리슬러지와 공정슬러지가 발생되며, 공정슬러지는 폐수를 처리하는 과정 중 반응조 등의 하부에 침전되는 물질이고, 폐수슬러지는 폐수처리장에서 폐수의 처리 과정 중 유기물과 각종 이물질이 생물학적 혹은 물리화학적으로 처리되는 과정에서 발생된다.

모든 폐기물은 감량화하는 것이 처리의 목적 및 효율적 비용측면에서 유리하며, 이는 발생단계에서 원칙적으로 슬러지를 최소화 할 수 있는 방법이나 감량효율을 최대화할 수 있는 방법의 도입이 필수적이다.

아래 표는 폐수슬러지의 감량화 방법 중 슬러지의 효율적인 감량화 및 자원화를위해서 도입되거나 시범적으로 운영 되고 있는 방법들이다.

선진국에서는 국가적 차원의 중장기 자원순환 계획을 시행하여 슬러지의 자원화를 추진하고 있는데, 대표적인 자원화 사례로는 건조 슬러지의 퇴비화, 토양개량제 활용, 탈수슬러지와 소각재의 건설자재나 시멘트 원료화 등이 있다. 일본의 경우에는 조사된 슬러지 처리장 986곳 중 61%인 600곳에서 하수슬러지를 유용한 자원으로 이용하는 등 퇴비, 비료, 건설자재 및 에너지원 등으로 다양하게 이용하고 있다.

유럽의 경우 발생된 하수슬러지의 40~50% 정도를 녹·농지에 이용하고 있으며 육사매립, 소각, 건설자재 등으로 처분을 하고 있다. 녹·농지에 이용하는 경우 중금속의 허용 한계 농도를 국가별로 차등을 두어 엄격하게 관리되는 곳만 이용하고 있으며, 습식산화, 열분해, 가스화 등의 재활용 기술의 개발을 추진하고 있는 실정이다.

미국의 경우 슬러지를 Bio-solid로 정의하여 자원화를 추진하고 있으며, 슬러지 이용과 처분에 관한 기준을 5가지로 나누어 관리하고 있다. 

국내에서는 자원순환형 폐기물 관리정책을 통하여 폐기물 발생억제, 순환적 이용 및 적정한 처리를 위한 계획을 수립·시행하고 있다. 그러나 슬러지의 안정적 처리 및 자원화를 위한 적정한 기술(BAT: Best Available Technology)의 개발이 아직 미흡하고, 도출된 기술에 대한 실증화가 이루어지지 않고 있는 실정이다.

폐수슬러지의 처리 방법에 대해서는 지역적 특성에 따라 주로 유효 이용 방법을 토대로 검토하고, 유효 이용이 불가능할 경우에는 가능한 최종 생성물이 최소화하는 감량화의 추진이 요구된다. 또한 업체별 폐수슬러지의 공정 특성상 손쉬운 공정 개선을 통하여 감량 또는 자원화 효율을 증대시킬 수 있는 방법이 있을 경우 적극적인 공정개선으로 자원화 효율을 높이도록 하여야 한다.

본 생태산업단지구축 세부사업을 통해 화력발전소에서 발생하는 fly ash와 소각재를 활용하여 위 그림과 같이 고부가가치의 친환경소재를 생산기술 모델을 확립하여 생태산업단지 구축 네트워크 사업을 도출할 수 있었다. 또한, 이로부터 환경적, 경제적 및 사회적 효과를 분석함으로써 동종분야에서 생태산업단지 조성에 이바지할것으로 사료된다.

환경적 효과

• 반월·시화 산업단지내에서 발생되는 fly ash 약 50,000 ton/year를 친환경 소재로 재활용 가능하며 신기술 적용의 신개념 친환경 소재개발이 가능함
• 대기오염 절감효과 : 시멘트 생산시 발생되는 CO2 가스 감소
• 폐기물을 자원으로써 순환 : 2차 환경오염 감소
• 환경보전 및 경제성장 실현 : 에너지 절약이 가능함
• 친환경적 변화 : 시멘트 대체 제품으로 친환경 제품의 요구 제안

경제적 효과

• 산업적 측면에 있어서도 폐자원으로 분류되어 해양투기 및 매립 처리됨으로서 발생되었던 경제적 손실을 해소할 수 있며, 플라이애쉬를 재활용시 반월시화 산업단지내 산업체의 처리비용 중 연간 약 55억 원을 절약할 수 있음
• Fly ash를 Geopolymer의 원료로 사용할 경우 원료의 자원화 이윤창출
• 개발하고자 하는 몰탈, 벽돌 소재는 적용 대상 소재인 플라이애쉬와 활성필러로 구분되는 slag 및 실리카품, Metakaolin 등을 사용하며, 시멘트와 마찬가지로 낮은 온도(상온포함)에서 반응하는 것이 가능하고, 시멘트에 비하여단기강도가 매우 우수하며, 내화학성 및 내약품성이 뛰어난 장점이 있음
• 기술개발을 통한 원천기술의 해외수출 등으로 국가 경쟁력을 향상

기타 효과

• 시멘트 재료를 사용하지 않고 발전소로부터 발생되는 플라이애쉬를 이용한 무기결합재 개발 및 이를 활용한 2차 제품(몰탈, 벽돌)은 미개척 분야임
• 시멘트 사용분야(국내 산업 및 기타 시설물)에 적용할 경우, 기술적 응용 분야는 상당히 많은 것으로 판단되며, 플라이애쉬를 이용한 신소재 및 재료개발에 대한 인식이 높아질 것으로 예상됨
• 신개념의 Geopolymer Technique를 활용한 친환경 소재 개발은 제조기술에 대한 Know-how 습득, 사용원료에 대한 체계적인 처리방법, 배합방법, 성형 방법 및 양생방법 등의 제조방법 개발을 통하여 최적의 제조조건을 확립할 수 있음
• 생태하천 복원에 있어서 법면녹화 및 하천블럭 등 수요처의 요구사항에 맞게 맞춤형으로 제품을 제작하여 적용할 수 있음
• 지역 맞춤형 신기술확보를 통하여 geopolymer 바인더의 수출형 산업구조로 변화
• Fly ash의 매립량 감소로 인한 매립부지의 수명연장
• Fly ash를 활용한 Geopolymer 소재개발 및 시멘트와 같은 상온에서 무기결합재를 제조함으로써 저에너지로 생산성을 증대

일반경량 geopolymeric 몰탈의 압축강도 결과를 이용하여 휨강도 측정용 몰탈을 제조하였다. 제조방법은 압축강도 시편 제조방법과 동일하게 진행하나 몰드를 40x40x160(mm)을 사용하였다. 일반 geopolymeric 몰탈의 경우 매우 매끈한 표면을 유지하고 있는 반면에 경량 geopolymeric 몰탈은 재료 분리되어 표면과 내부로 양분된 시편을 확인할 수가 있다. 이는 시편을 제조하는 과정에서 진동에 의해 가벼운 골재는 표면으로 이동하고, paste 는 가라앉아 분리되는 문제점이 발생하였다. 이러한 문제점의 대체 방안으로 향후 시편을 제조할 때 진동을 짧게 주는 방법을 적용하여 시편을 제조하였다.

제조 조건 및 휨강도 결과를 표로 나타내었으며, 이때의 경량성을 살펴보았다. 경량성은 모두 20%를 만족하고 있다. 일반 몰탈의 경우, 5.0 MPa을 훨씬 상회하는 값을 기록하고 있으며, 경량조건 역시 2.5~3.5 MPa를 나타내고 있다. 이러한 물성값은 테라조나 인조타일의 휨강도 특성과 유사한 값이다. 최근 유기성 타일이나 소재의 억제와 천연석재나 테라조 등의 무기질 타일 및 내외장재의 시장이 확대되고 있으며, 이러한 소재의 휨강도 특성은 3~4 MPa의 품질기준을 통해서 품질관리 되고 있다. 따라서 본 연구에 의해서 제시된 경량 geopolymeric 몰탈의 압축강도나 휨강도 특성은 기존 제품들과 비교 경쟁력이 우수하여 시장성이 높다고 생각된다. 또한 건물의 외피용으로 사용되기 때문에 20% 경량성은 기존의 천연석재 등과 좋은 비교가 될 것이다. 또한 몰탈 내에 재료분리현상을 억제하기 위해서 진동은 몰탈이 흘러서 채워지는 정도만을 가하게 되면 외부 사진과 비교할 때 표면과 내부에 화산석 골재가 고르게 분포하고 있음을 알 수가 있다. 또한 일반 geopolymeric 몰탈의 경우에는 매우 고른 입도분포를 나타내고 있다. 그러나 진동을 짧은 시간동안 가하였기 때문에 내부에 많은 기공이 존재하고 있는 것을 육안으로 확인할 수가 있다.

반월·시화산업단지 내에서 발생되는 fly ash에 대한 자원화 방안은 몰탈분야에서 시멘트를 이용한 벽돌, 벽돌 사이에 사용하는 메지용 몰탈, 고층건물 등에 사용하는 경량몰탈, 급보수 등에 사용하는 보수몰탈, H beam의 보호용 몰탈, 경관용 소재인 바닥벽돌에 있어서 시멘트를 대체하는 geopolymeric binder용, 호안블록의 시멘트 대체 geopolymeric binder, 흙 포장 분야에 있어서 시멘트 대체용 geopolymeric binder 등으로 재활용이 가능한 것으로 판단된다.

Fly ash를 이용한 geopolymeric binder의 환경유해물질 용출시험결과 Pb, Cr, Cd, Cu, Zn 등 모두 중금속 용출 허용기준치 이내의 값을 나타내는 우수한 고정화 특성이 있는 것으로 분석되었으며, 다이옥신류의 검출에 관한 환경영향평가 결과에 있어서도 기준 및 유해성 기준에 미달되는 결과를 보였기에 환경적으로도 유해하지 않은 제품생산이 가능한 것으로 평가되었다. 또한 폐기되고 있는 비산회를 재활용함으로써 발생되는 경제적 기대효과를 기대할 수 있다.

 Geopolymeric binder를 이용하여 건축, 토목용 응용제품을 생산하여 아래 그림과 같이 흙포장과 황토벽돌에 적용하였으며, 자전거 도로 및 아름다운 길 가꾸기에 사업화를 진행하고 있다.

연마형 블록제조는 투수성 벽돌로 시공하여 현장에 따른 맞춤형 스타일로 제작이 가능하며, 경기도 소재 A 발전소의 산책로 약 200m에 시공하여 현장모니터링을 수행하고 있다.

제조된 시편의 압축강도를 위 표와 같이 나타내었다. 시멘트의 경우 보통 압축강도 측정시 3, 7, 28일의 재령일에 대해 측정을 하지만, 경량geopolymeric 몰탈의 제조에도 초기 경화 특성이 좋다는 장점을 고려하여 1, 3, 7일로 하였다. 또한 본 사업의 최종 경량몰탈의 도달 목표값은 경량성 20%이상 나타내며 압축강도 또한 40 MPa 이상 발현하는 것이다.

표준조건의 압축강도는 80 MPa에 달하는 것을 확인할 수가 있다. 이를 기준으로 경량골재를 사용하여 제조한 시편의 압축강도는 전체적으로 낮은 값을 나타내고 있다. 펄라이트를 경량골재로 사용한 시편의 경우, 너무 낮은 비중값과 높은 흡수율 때문에 경량 지오폴리머 몰탈의 물리적 특성이 매우 낮은 값을 나타내었다. 경량성은 37.8%(7일)에 압축강도는 19 MPa을 나타내었다. 반면에 일반 경량몰탈의 경우 시판되고 있는 것을 시험한 결과 10 MPa에도 이르지 않았음을 확인하였기 때문에 그 결과에 비하여 매우 우수한 경량몰탈 특성을 발휘한 것이라 생각된다. 그러나 본 사업의 목표 값은 경량성 20%, 40 MPa의 압축강도 값이기 때문에 펄라이트를 사용하는 조건은 고려대상에서 제외하였다.

Bottom ash는 화력발전소로부터 발생된 것을 D사에서 수거하여 수세하여 골재용으로 판매하고 있는 것을 구입하여 경량골재의 보조골재로 사용하였다. 지오폴리머 바인더와 bottom ash의 비율을 기준조건의 비율과 동일하게 고정하여 경량골재로의 가능성을 검토한 결과 압축강도 특성은 매우 우수하였으나, 경량성이 다소 부족한 값을 나타내었다. 화산석은 난석용 경량골재로서 일본에서 수입되어 시중에 유동되고 있는 소재이다. 매우 보편화되었기 때문에 본 사업의 경량골재로 선택하였다. 이를 이용하여 경량 geopolymeric 몰탈 제조를 시도하였다. 화산석은 경량성이 우수하여 지오폴리머 바인더와 무게비 약 1:1로 검토하였다. 그 결과 경량성은 25-26%의 범위를 나타내었으나 압축강도는 26.1 MPa로 목표치에 이르지 못하였다. 따라서 bottom ash의 물리적 특성과 화산석의 경량성을 고려하여 지오폴리머 바인더와 경량골재를 화산석과 bottom ash의 혼합물의 비를 무게비 1:1로 칭량하여 압축강도를 측정한 결과 22.3 MPa로 낮은 값을 나타내었으며, 경량성은 25.9%이었다. 이러한 압축강도의 낮은 발현은 지오폴리머 바인더의 함량의 부족으로 판단되어 GPB를 증가하여 경량 geopolymeric 몰탈을 제조하였다. 그 결과 GPB 400 g 이상에서 30 MPa을 높은 강도를 발휘하였으며, 500 g을 첨가한 조건에서 경량성과 압축강도를 만족하는 경량 geopolymeric 몰탈을 제조하는 것이 가능하였다. No.14조건에서와 같이 경량 geopolymeric 몰탈은 7일 재령에 압축강도 50 MPa을 나타내었으며, 경량성은 22.4%이었다. 또한 No. 15조건에서도 46.5 MPa, 23.7%의 물성을 발휘하였다.

압축강도와 경량성은 압축강도가 높을 경우, 경량성이 낮고, 경량성이 높은 시편은 압축강도가 낮은 반비례적인 성향을 띠고 있다. 그러나 5, 6, 8, 11, 12, 13번의 경우, 경량성과 압축강도의 관계가 다른 조건에 비하여 우수한 값을 나타내고 있다. 이러한 조건들은 압축강도와 경량성이 양호한 값을 나타내었다. 그러나 목표치 대비 물성을 만족하지는 못하였다. 한편, 14, 15번의 경우  7일 재령에 목표치를 만족하는 결과를 보이고 있다. 특히 표준사를 보조골재로 사용한 조건의 압축강도는 54.2 MPa로 경량성을 만족하면서도 매우 높은 값을 나타내었다.

경량 몰탈은 geopolymeric 몰탈 제조과정과 동일한 방법을 통하여 진행하였다. 원료는 고로슬래그와 플라이 애시의 혼합물인 지오폴리머 바인더와 경량골재, 반응 용액은 Na2O/SiO2 몰비 0.5인 것을 이용하였다. 경량골재의 선정은 다양한 경량골재를 단독 혹은 복합적으로 적용하여 결과를 확인한 후, 이를 다시 경량성을 만족하는 방향으로 실험을 진행하였다. 40 MPa의 우수한 물리적 특성을 발휘하는 조성을 찾는 방향으로 실험이 진행되었다. 경량골재는 가장 많이 알려진 인공 펄라이트, 화산재, 천연펄라이트와 D사의 bottom ash를 이용하였다. 먼저 몰탈 규격 조건에 준하여 경량성 비교를 위한standard를 제조하였다. Standard는 지오폴리머 몰탈의 기본조성으로 하였다. 고로슬래그와 플라이애시를 건식 혼합하여 지오폴리머 바인더를 제조하고, 여기에 주문진의 표준사를 건조상태로 투입하고 이를 건식으로 혼합하였다. 혼합된 원료에 반응용액을 넣어 슬러리화 하여 다시 혼합 하였다. 혼 합된 슬러리는 50x50x50 mm 큐브몰드에 넣고 진동을 주면서 충진 성형하였다.

몰드채로 양생기에서 50℃로 8시간 양생한 후 탈형하고 1, 3, 7일의 재령까지 30℃에서 자연양생하였다. 경량 geopolymeric 몰탈의 제조는 이와 동일한 방법으로 진행하되, 표준사, 펄라이트, 화산석, Bottom ash의 배합비를 다양하게 조절하여 몰탈을 제조하였다. 각각 펄라이트, 화산석, bottom ash를 단독으로 GP와 부피비를 1:1로 배합하여 각 시편을 제조하였다. Bottom ash는 다른 원료들과 다르게 무게가 많이 나가는 점을 고려하여 무게비율 1:1을 추가하였다. 또한 화산석 + bottom ash, 화산석 + 표준사의 비율을 다양하게 변화시켜 시편을 제조하였다. 또한 L/S의 값의 변화는 화산석, 펄라이트, 표준사의 흡수율이 다양하기 때문에 원료차이에 따른 것이다. 또한 칭량된 무게가 일정하지 않은 것도 사용되는 경량골재의 비중이 다르기 때문에 경우에 따라서는 부피비로 산정하고, 무게비로 산정하는 등의 차이를 통하여 경량성을 달성하고자 하였다. 경량 geopolymeric 몰탈의 제조조건은 아래 표와 같다.

지오폴리머의 제조는 원료혼합, 몰탈(or 페이스트 혹은 콘크리트도 적용)성형, 벽돌성형 등의 성형과정, 양생과정을 통한 고결화 과정, 제조된 공시체의 평가로 동결용해성 시험 및 압축강도 시험 등으로 구성되며, 위 그림과 같은 제조공정으로 수행하였다. 먼저 플라이 애시와 고로슬래그는 실험조건에 따라 사용한다. 최적의 분말혼합비율은 폐이스트 실험을 통하여 확보하게 된다. 분말상의 혼합은 매우 미세하기 때문에 균일한 혼합이 중요하다. 이를 위해서는 일정한 속도로 기계적 혼합을 해야 한다.

혼합기는 내부가 일반 혼합기에 혼합보조기 2기가 추가적으로 장착된 것을 사용하였다. 혼합시간은 실험적 데이터를 기초로 3분간 혼합한다. 혼합상태는 혼합을 멈춘 후에 육안으로 혼합분말의 색상을 조사하여 색상의 구배가 생기는가를 통하여 확인하며, 균일혼합 상태를 확인한 후에는 액상을 첨가한다. 첨가된 액상이 모두 분말과 흔합되어 슬러리화 하면 이를 큐브몰드(50x50x50(mm))에 1/3을 충진한 후 진동을 가하여 재료 내에 포함되어 있 는 기포를 제거한다.

이러한 과정을 3회 반복하여 몰드 상부까지 채우고 기포를 완전히 제거한다. 일련의 성형과정이 완료되면 성형체의 표면을 흙 칼등을 이용하여 마무리하여 시편을 완성하면 몰탈 성형체를 제작하게 된다.

완성된 성형체 시편은 자연상태로 일정시간 유지시킨 후에 표면을 랩으로 캡핑하여 건조속도 차에 의한 크랙 등을 방지한다. 양생은 60℃에서 8시간 항온항습기 내에서 양생한다. 양생온도의 설정은 역시 예비실험을 통하여 경제성과 물리적 특성을 고려하여 결정하였으며, 양생이 완료된 시편은 몰드로부터 탈형하고, 시편은 30℃로 유지되는 건조기내에서 항습상태로 유지하게 된다.

K2O/SiO2의 몰비의 변화에 지오폴리머 소재의 물리적 특성의 평가 및 최적의 몰비율 도출을 시도하였으며, 도출된 반응용액의 최적비율 이용하여 몰탈과 콘크리트를 제조하고, 더 나아가서 응용제품의 확대 가능성에 대한 시제품을 제조하여 현장모니터링을 실시하였다. 연구내용에 따른 절차로부터 지오 폴리머 소재 실험을 수행하였다.

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.

활성필러는 반응용액과 접촉시 표면의 피막이 파괴되고 이로부터 이온들을 용출시키며, 고반응성을 띠는 분말을 일컫는다. 주로 고로슬래그, fly ash, 화산재 규조토, 규산백토, 소성점토, 혈암, 실리카 fume 등이 여기에 해당된다.

포졸란은 실리카 물질을 주성분으로 하며, 그 자체는 수경성이 없으나 시멘트  화에 의해서 생기는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 불용성 화합물을 만들 수 있는 미분상태의 물질을 일컫는다. 여기서 수산화칼슘은 성형체의 알칼리성을조성하는 물질로 이용되며, 시멘트의 클링커 광물이 물과 접촉시 생성된다. 일반적으로 포졸란을 사용한 콘크리트의 경우 작업성이 좋아지고, 초기강도는 낮으나 장기강도, 수밀성 및 화학저항성이 향상된다. 또한 수화열의 완화에 따른 발열량 감소, 입자, 모양 및 표면상태가 좋지 않거나 조립이 많은 것 등은 단위수량을 증가시키므로 건조수축이 커진다.

이 중 본 연구에서는 A발전소의 fly ash와 고로슬래그를 주재료로 검토하고자 하였다. 플라이 애시는 다량의 실리카와 알루미나를 함유하고 있어 시멘트 혼화재로 사용되고 있으며, 시멘트에 혼합시 C-S-H 수화물과 C-A-H를 생성하고 장기간에 걸쳐 고화되어 강도를 발현하는 것으로 잘 알려져 있는 혼화재의 하나이다. 또한 많은 양의 비정질 유리상을 함유하고 있고 활성이 높아서 강한 자극력이 있는 알칼리나 산에 의해서 쉽게 용출을 하는 원료적 특성이 있다. 또한 고로슬래그는가장 널리 알려진 포졸란 물질로서 잠재수경성이 있으며, 잠재수경성에 의해서 시멘트와 혼합시 장기강도를 증진시키는 것으로 보고되고 있는 재료이다. 이 고로슬래그에도 fly ash와 유사하게 비정질 유리상이 다량 포함되어 있으며, fly ash 보다 더 산이나 알칼리의 자극에 용이하게 용출하는 특성으로 이전까지의 연구에서는 AAS(알칼리 활성시 멘트)나 고로슬래그 시멘트 등으로 사용되어 왔다. Geopolymer는 반응이 비정질상으로 구성된 물질과 알칼리성 용액에 의해 알칼리 용출반응과 응축반응 및 축중합반응을 통하여 일어나게 되는데, 고로슬래그의 비정질상은 알칼리 용액 하에 매우 빠른 용출이 일어나기 때문에 geopolymerisation이 용이하게 일어날 것으로 예상된다.

사업의 구성

지오폴리머 반응의 구성요소는 활성필러, 비활성필러, 반응용액으로 크게 3가지로 3성분 분포와 해당 원료 그리고 페이스트와 몰탈 및 콘크리트의 개념도를 위 그림과 같이 나타내었다.

활성필러는 지오폴리머 축합반응에 적극적으로 참여하며, 비정질의 결정구조 특성을 갖는 물질로서 반응용액에 의해서 지오폴리머 기재를 형성하는 주요한 역할을 하는 것이다. 비활성 필러는 반응에 참여는 약하지만, 단량체를 형성함에 있어서 골격역할을 하고 강성을 띠며, 충진성을 좋게 해주는 역할로 작용한다. 반응용액은 활성필러를 알칼리 자극하기 위한 것으로, NaOH, KOH, 규산염 등이 여기에 속한다.

활성필러, 비활성필러 및 반응용액(Activators)의 구성은 그림에 나타낸 것과 일치하는 것은 아니며, 각각의 원료와 제조하고자 하는 소재에 따라서 다르기 때문에 이를 이용하는 작업자의 경험과 지식에 따라 적절하게 적용하는 것이 바람직하다.

지오폴리머의 3가지 구성성분만으로서 제조되는 것을 페이스트라고 하며, 여기에모래와 혼합한 것을 몰탈, 모래와 골재를 모두 투입한 것으로 콘크리트라고 한다.

본 생태산업단지 구축사업은 시화반월산업단지에 위치해 있는 A발전소의 플라이애시를 활성필러로, B소각장에서 배출되는 소각재를 비활성필러로 사용하고 C 주관기관의 독자적 기술이 포함되어 있는 반응용액을 가지고 지오폴리머 제품을 제조하여 제품성능을 확보함으로써 사업화 네트워크를 구축하고자 한다.

사업의 내용

본 재활용 사업화 네트워크를 원활히 수행하기 위해서 Geopolymer 기술을 활용하여 무소성 기술을 확보하고 대량 발생하고 있는 플라이애시의 효율적 재활용 방안을 마련하여 사업화 네트워크를 확보하고자 한다. 본 사업의 원활한 수행을 위한 세부내용은 다음과 같다.

자료조사 및 분석

• 플라이애시 및 무소성 기술인 Geopolymer Technique의 자료 조사
• 무소성기술에 관한 자료조사(유해성분 무해화 기술)

Geopolymer Technique를 통한 플라이애쉬의 순환자원 제품 제조

• 원료의 물리적 화학적 특성평가 : fly ash, geopolymer의 성상 연구
• 플라이애시 mortar 제조 : 최적의 배합조건 도출
• 제조된 mortar/벽돌의 유해성분의 무해화 처리 기기분석
• 제조된 mortar/벽돌의 사업 제품화 연구

제품화를 위한 Geopolymerisation의 메커니즘 확립

• 고정화/안정화 및 강도발현 반응 메커니즘 도출

Lab scale의 제조실험

• 몰탈/벽돌의 물리적 특성 평가
• 블록 및 콘크리트 규모의 물리적 특성평가
• 벽돌의 열적거동에 따른 적용분야의 확대
• 혼합 비산회의 binder 특성평가

현장규모의 제조실험

• 몰탈/벽돌-라인적용 실험: 기존 시멘트 콘크리트분야/기존의 점토벽돌생산라인
• 호안의 사면 제방용 블록의 시제품 생산 및 물성평가
• 현장 샘플시공 및 모니터링, 물리적 특성 평가

이와 같은 세부내용을 진행하기 위하여 부산물소재로부터 Geopolymer의 구성내용을 분석하였다.