KR100846821B1 - An improved process for the production of geopolymeric material from fly ash - Google Patents

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Abstract

A method for producing a geopolymeric material from fly ash is provided to reduce a production cost largely, to emit little or no carbon dioxide by using low-temperature treatment, and to produce the geopolymeric material having improved strength. A method for producing a geopolymeric material from fly ash includes the steps of: (a) activating dry fly ash and reducing the fly ash to the size ranging from 1 to 30 micron by high energy milling for 10-60 minutes; (b) mixing 5-50wt% of an alkaline activator with 50-95wt% of water for 10-60 minutes; (c) mixing 60-95wt% of the vacuum-milled fly ash of the step (a) with 10-40wt% of the alkaline activator solution for 15-30 minutes; (d) vacuum-compressing the mixed powders for 2-10 minutes or compressing the mixed powders with a pressure of 50-250 kg/cm^2; and (e) drying the formed material at ambient temperature for 2-24 hours, and hardening the dried material at 50-200 °C for 1-24 hours. Further, the high energy milling is selected from vibration milling, abrasion milling, jet milling and oiliness milling.

Description

플라이 애쉬로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정{AN IMPROVED PROCESS FOR THE PRODUCTION OF GEOPOLYMERIC MATERIAL FROM FLY ASH}AN IMPROVED PROCESS FOR THE PRODUCTION OF GEOPOLYMERIC MATERIAL FROM FLY ASH}

본 발명은 플라이 애쉬 (fly ash) 로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정에 관한 것으로, 특히 화력발전소에서 발생된 폐기물인 플라이 애쉬로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정에 관한 것이다. 특히 본 발명은 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing geopolymer material from fly ash, and more particularly to a process for producing geopolymer material from fly ash, which is a waste generated from a thermal power plant. In particular, the present invention relates to a process for preparing geopolymer material from mechanically activated fly ash.

본 발명에 따른 제조공정으로 제조된 생산물은 인도 및 전세계적으로 풍부하게 사용가능한 플라이 애쉬를 주요 성분으로 이용할 것이다. 이 제조공정은 큰 소비 에너지를 필요로 하지 않고 CO2 도 방출하지 않는다. 본 발명에 따른 제조공정으로 제조된 생산물은, 매우 양호한 부피 안정성, 단시간에 적당한 강도 이득, 우수한 내구성 및 높은 내화성을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 지오폴리머 물질은, 내화 및 절연 패널, 장식용 석재품, 건축재, 세라믹 타일, 내열재, 알루미늄 주조품, 건물 등을 위한 지오폴리머 시멘트 및 콘크리트, 및 유독 폐기물의 고정 등의 주요 성분으로서 유용할 것이다.The products produced by the manufacturing process according to the invention will utilize fly ash, which is abundantly available in India and around the world, as its main component. This manufacturing process does not require large energy consumption and does not emit CO 2 . The product produced by the manufacturing process according to the invention may have very good volume stability, moderate strength gain in a short time, good durability and high fire resistance. The geopolymer material according to the present invention is useful as a main component of geopolymer cement and concrete for fireproof and insulation panels, decorative stone products, building materials, ceramic tiles, heat resistant materials, aluminum castings, buildings, etc., and fixing of toxic wastes. something to do.

현재까지 알려진 지오폴리머 물질을 제조하는 공정은 주요 원재료로서 알루미나 및 실리카와 같은 순수재와, 알칼리성 활성제로서 나트륨이나 칼륨을 사용한다. 종래의 제조공정은 10 내지 50 중량% 의 알루미나 및 50 내지 90 중량% 의 실리카를 사용한다. 지오폴리머 물질을 제조하는 종래의 제조공정은, 볼 제분기 또는 버티컬 롤러 제분기에서 원재료를 분쇄하여 제분하는 단계, 기계적 혼합기에서 원재료를 조화시켜 섞는 단계, 칼륨 또는 나트륨의 규산염 또는 수산화물과 같은 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계, 및 원하는 형태로 성형한 후 60 내지 250℃의 온도범위에서 경화하는 단계로 구성된다.The processes for producing geopolymer materials known to date use pure materials such as alumina and silica as the main raw materials and sodium or potassium as the alkaline activator. Conventional manufacturing processes use from 10 to 50% by weight of alumina and from 50 to 90% by weight of silica. Conventional manufacturing processes for producing geopolymer materials include grinding and milling raw materials in a ball mill or vertical roller mill, blending raw materials in a mechanical mixer, and alkaline activators such as silicates or hydroxides of potassium or sodium. Mixing with, and curing in a temperature range of 60 to 250 ℃ after molding to the desired shape.

지오폴리머 물질을 제조하는 다른 공지의 제조공정은, 석영 및 석영암과 같은 자연발생 실리카 함유 광물, 및 카올리나이트 및 일라이트와 같은 알루미노-규산염 함유 광물을 사용한다. 이 종래의 제조공정은, 볼 제분기 또는 버티컬 롤러 제분기에서 석영 또는 석영암을 분쇄하여 제분하는 단계, 950 내지 1050℃ 의 온도범위에서 가스연료로 또는 전기적으로 가열된 화로에서 카올리나이트나 일라이트 등을 하소(calcination) 한 후 주위온도로 냉각하는 단계, 기계적 혼합기에서 원재료를 조화시켜 섞는 단계, 칼륨 또는 나트륨의 규산염 또는 수산화물과 같은 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계, 및 원하는 형태로 성형한 후 60 내지 250℃의 온도범위에서 경화하는 단계로 구성된다.Other known manufacturing processes for producing geopolymer materials use naturally occurring silica containing minerals such as quartz and quartz rock, and alumino-silicate containing minerals such as kaolinite and illite. The conventional manufacturing process is a step of grinding and milling quartz or quartz arm in a ball mill or vertical roller mill, kaolinite or illite, etc. in a gaseous furnace or electrically heated furnace in the temperature range of 950 to 1050 ℃. After calcination, cooling to ambient temperature, mixing raw materials in a mechanical mixer, mixing with alkaline activators such as silicates or hydroxides of potassium or sodium, and shaping to the desired form after 60 to 250 It consists of curing in the temperature range of ℃.

지오폴리머 물질을 제조하는 또 다른 공지의 제조공정은, 플라이 애쉬, 모래 및 화강암 골재를 원재료로 사용한다. 이 제조공정은 가공하지 않은 플라이 애쉬, 점토 및 골재를 조화시켜 섞는 단계, 나트륨/칼륨 첨가 알칼리성 활성제와 혼합하 는 단계, 및 원하는 형태로 성형한 후 60 내지 200℃의 온도범위에서의 경화하는 단계로 구성된다.Another known manufacturing process for producing geopolymer materials uses fly ash, sand and granite aggregates as raw materials. This manufacturing process comprises the steps of blending raw fly ash, clay and aggregate in unison, mixing with sodium / potassium added alkaline activator, and curing in the temperature range of 60-200 ° C. after shaping into the desired form. It consists of.

종래의 제조공정 (J. Davidovits, 지오폴리머 2002 컨퍼런스, 2002년 10월 28-29일, 멜버른, 호주)은 혼합기에서 10 내지 60분 동안 실리카 및 알루미나의 미세분말을 혼합하는 단계로 구성된다. 지오폴리머화 반응은 나트륨 또는 칼륨 첨가 활성제를 사용하고 60 내지 200℃의 온도범위에서 경화하는 알칼리성 환경에서 수행된다.A conventional manufacturing process (J. Davidovits, Geopolymer 2002 Conference, 28-29 October 2002, Melbourne, Australia) consists of mixing fine powders of silica and alumina in a mixer for 10 to 60 minutes. The geopolymerization reaction is carried out in an alkaline environment using sodium or potassium addition activator and curing at a temperature range of 60 to 200 ° C.

또다른 공지의 제조공정 (D. Hardjito 등, 인바이티드 페이퍼, 콘크리트 월드: 공학 및 물질, 아메리카 콘크리트 인스티튜트, 인디아 챕터, 뭄베이, 인도, 2004년 12월 9-12일)은, 기계적 혼합기에서 플라이 애쉬, 모래 및 화강암 골재의 혼합, 나트륨 첨가 알칼리성 활성제의 첨가, 몰드에서의 진동 캐스팅을 이용한다. 진동 캐스트된 물질을 상승된 온도에서 경화하여 콘크리트로서 사용될 지오폴리머 물질을 제조한다.Another well-known manufacturing process (D. Hardjito et al., Invented Paper, Concrete World: Engineering and Materials, American Concrete Institute, India Chapter, Mumbai, India, 9-12 December 2004), Mixing of ash, sand and granite aggregates, addition of sodium-added alkaline activators, vibratory casting in molds is used. The vibrated cast material is cured at elevated temperature to produce a geopolymer material to be used as concrete.

상기 공지의 제조공정은 다음과 같은 한계점이 있다.The known manufacturing process has the following limitations.

1. 지오폴리머 물질의 제조비용은 순수 실리카 및 알루미나와 같은 비싼 원재료를 사용할 때 비교적 높다.1. The manufacturing cost of geopolymer materials is relatively high when using expensive raw materials such as pure silica and alumina.

2. 지오폴리머 물질의 형성은 석영, 석영암, 카올리나이트 및 일라이트와 같은 자연발생 원재료를 사용할 때 에너지 집약적인 공정이다. 석영 또는 석영암의 분쇄 및 제분단계, 및 카올리나이트 및 일라이트의 고온 하소 (calcination) 단계는 큰 에너지를 소비한다.2. Formation of geopolymer materials is an energy intensive process when using naturally occurring raw materials such as quartz, quartz rock, kaolinite and illite. The grinding and milling of quartz or quartz rock and the high temperature calcination of kaolinite and illite consume large energy.

3. 지오폴리머의 압축강도특성은 원재료 중의 하나로서 플라이 애쉬를 사용할 때 낮다. 플라이 애쉬의 낮은 반응성 때문에, 낮은 압축강도 얻어진다. 따라서 소량의 플라이 애쉬만이 지오폴리머에서 사용된다.3. The compressive strength characteristics of geopolymers are low when using fly ash as one of the raw materials. Because of the low reactivity of the fly ash, low compressive strength is obtained. Therefore, only a small amount of fly ash is used in the geopolymer.

종래, 지오폴리머 물질은, 실리카 또는 실리카 함유 광물 및 알루미나 또는 알루미나, 알루미노-규산염 함유 광물의 미세 분말을 나트륨 및 칼륨 첨가 알칼리성 활성제와 혼합한 후 상승된 온도에서 경화함으로써 제조되었다 (J. Davidovits, 지오폴리머 2002 컨퍼런스, 2002년 10월 28-29일, 멜버른, 호주). 나트륨, 실리카 및 알루미나를 사용하여 지오폴리머 물질을 제조하는 종래의 방법은 미국에서 Davidovits 에 의해 특허되었다 (미국특허 4,509,985, Davidovits 등, 조기 고강도 광물 폴리머 (Early high-strength mineral polymer)). Davidovits 등의 실리코-알루미네이트족의 합성 광물 폴리머 화합물 및 제조공정에 관한 미국특허 4,472,199 을 참조할 수도 있는데, 여기서, 캐스트 또는 몰드된 지오폴리머는 제올라이트 애플리케이션을 위한 기존의 공정에 의해 제조되었다. D. Hardjito 등의 "콘크리트 월드: 공학 및 물질, 아메리카 콘크리트 인스티튜트, 인디아 챕터, 뭄베이, 인도, 2004년 12월 9-12일" 을 참조할 수도 있는데, 여기서, 지오폴리머 콘크리트에서 플라이 애쉬의 다량 사용이 집중적인 연구관심을 끌었다. 플라이 애쉬의 미세 제분 및 기계적 활성화가 그 반응성을 향상시키기 위해 제안된다 (A.Z. Juhasz, L. Opoczky, 분쇄에 의한 광물의 기계적 활성화: 입자의 분말화 및 구조, Ellis Horwood Limited, NY, 1994). 플라이 애쉬의 미세 제분 및 기계적 활성화를 위해 다양한 유형의 밀링 장치가 시험되었다. 진보된 콘크리트 구조에 관한 국제회의 회보 (Chennai, 2005년 1월)에 실린, Sanjay Kumar 등의 '고에너지 밀링을 통한 혼합 시멘트에서의 다량의 고로 슬래그 및 플라이 애쉬 이용'을 참조할 수도 있는데, 여기서, 플라이 애쉬의 반응성은 진동 제분기에서의 기계적 활성화에 의해 증가하였다.Traditionally, geopolymer materials have been prepared by mixing silica or silica containing minerals and fine powders of alumina or alumina, alumino-silicate containing minerals with sodium and potassium added alkaline activators and curing at elevated temperatures (J. Davidovits, Geopolymer 2002 Conference, 28-29 October 2002, Melbourne, Australia). Conventional methods for preparing geopolymer materials using sodium, silica and alumina have been patented by Davidovits in the United States (US Patent 4,509,985, Davidovits et al., Early high-strength mineral polymers). See also US Pat. No. 4,472,199 for synthetic mineral polymer compounds of the silico-aluminate family of Davidovits et al. And manufacturing processes wherein cast or molded geopolymers were prepared by conventional processes for zeolite applications. D. Hardjito et al., "Concrete World: Engineering and Materials, American Concrete Institute, India Chapter, Mumbai, India, December 9-12, 2004", where a large amount of fly ash in geopolymer concrete The use attracted intensive research. Fine milling and mechanical activation of fly ash is proposed to enhance its reactivity (A.Z. Juhasz, L. Opoczky, Mechanical Activation of Minerals by Grinding: Powdered and Structured Particles, Ellis Horwood Limited, NY, 1994). Various types of milling devices have been tested for fine milling and mechanical activation of fly ash. You can also refer to Sanjay Kumar et al. 'Using large amounts of blast furnace slag and fly ash in high-energy milling,' published in the International Conference Bulletin on Advanced Concrete Structures (Chennai, January 2005). The fly ash reactivity was increased by mechanical activation in the vibration mill.

문헌 및 특허 조사 및 이용가능한 정보에 따르면, 현재는 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬를 사용하여 지오폴리머 물질을 제조하는 공정이 없다고 말할 수 있다. 이 개발의 목적은, 환경오염을 일으키는 '플라이 애쉬'와 같이 풍부하게 입수가능한 폐기물질을 이용하여, 다양한 응용을 위해 지오폴리머 물질과 같은 부가가치 산물을 제조하는 것이다.According to literature and patent research and available information, it can be said that there is currently no process for preparing geopolymer materials using mechanically activated fly ash. The goal of this development is to produce value-added products such as geopolymer materials for a variety of applications, using abundantly available waste materials such as 'fly ash' that cause environmental pollution.

본 발명의 목적은 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬를 사용하여 지오폴리머 물질을 제조하는 공정을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a process for preparing geopolymer materials using mechanically activated fly ash.

본 발명의 다른 목적은 에너지 소비를 현저하게 줄일 수 있는 지오폴리머 물질을 제조하는 공정을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a process for producing a geopolymer material that can significantly reduce energy consumption.

본 발명의 또 다른 목적은 제조비용이 상당히 감소되고 생산품의 특성이 개선된 지오폴리머 물질을 제조하는 공정을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a process for producing geopolymer materials with significantly reduced manufacturing costs and improved product properties.

본 발명의 또 다른 목적은 플라이 애쉬의 반응성이 기계적 활성에 의해 증가하고 이 생산품의 강도 발현 (strength development) 이 개선되는 지오폴리머 물질을 제조하는 공정을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a process for preparing geopolymer materials in which the reactivity of the fly ash is increased by mechanical activity and the strength development of this product is improved.

본 발명에서 사용되는 플라이 애쉬는 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3), 산화철 (Fe2O3), CaO, MgO, 및 MnO을 포함하고, 일부는 결정 구조이고 일부는 비정질 구조이다.The fly ash used in the present invention includes silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), CaO, MgO, and MnO, some of which are crystal structures and some of which are amorphous structures. .

종래의 제조공정에 의해 제조된 지오폴리머 물질에서, 플라이 애쉬는 반응성이 좋지 않기 때문에 지오폴리머 반응에 능동적으로 참여하지 않는다. 알칼리성 활성제와 접촉하는 이 플라이 애쉬 입자의 외부 표면은 반응하지만 이 입자의 내부 중심은 반응하지 않는다. 그 결과, 생성되는 지오폴리머 물질은 강도 발현이 일관되지 않고 좋지 않다. 또한, 이 불량한 반응성 때문에 제한된 양의 플라이 애쉬만이 지오폴리머 물질에서 사용된다. 본 발명의 제조공정에서, 플라이 애쉬는 고에너지 제분기에서 미세분쇄되어 기계적으로 활성화된다. 고에너지 제분기의 제분 매개체는 이 매개체와 플라이 애쉬 사이의 더 넓은 접촉표면을 제공하고, 더 빠른 교반기 속도나 진동은 이 매개체의 더 높은 운동에너지를 발생시킨다. 고에너지 밀링 공정은 플라이 애쉬를 기계적으로 활성화시켜 그 반응성이 증가한다. 나트륨 또는 칼륨과 같은 알칼리성 활성제가 첨가되면, 플라이 애쉬 입자의 분해가 시작된다. 플라이 애쉬의 반응성이 증가하면 분해활동이 향상된다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬와 알칼리성 활성제의 혼합은 진동 캐스팅 또는 단축 (uniaxial) 압축에 의해 원하는 형태로 형성된다. 지오폴리머화 반응을 위해, 이 형성된 물질은 50 내지 200℃의 온도범위에서 경화된다. 상승된 경화 온도 때문에, 이 분해 반응은 겔 형성 및 중축합 반응과 동시에 진행되고, 그 결과 지오폴리머 물질이 응결되고 강도 발전이 이뤄진다. 또한, 반응성의 증가로 인해, 더 높은 비율의 플라이 애쉬가 지오폴리머 물질에서 사용된다.In geopolymer materials prepared by conventional manufacturing processes, fly ash does not actively participate in geopolymer reactions because of poor reactivity. The outer surface of the fly ash particles in contact with the alkaline activator reacts but not the inner center of the particles. As a result, the resulting geopolymer material is inconsistent in strength development and poor. In addition, because of this poor reactivity, only limited amounts of fly ash are used in geopolymer materials. In the manufacturing process of the present invention, the fly ash is ground in a high energy mill and mechanically activated. The milling medium of the high energy mill provides a wider contact surface between the medium and the fly ash, and faster stirrer speeds or vibrations generate higher kinetic energy of the medium. High energy milling processes mechanically activate the fly ash, increasing its reactivity. When an alkaline activator such as sodium or potassium is added, decomposition of the fly ash particles begins. Increased fly ash reactivity improves its degradation activity. The mixing of the mechanically activated fly ash and alkaline activator is formed into the desired form by vibratory casting or uniaxial compression. For the geopolymerization reaction, this formed material is cured in the temperature range of 50 to 200 ° C. Because of the elevated curing temperature, this decomposition reaction proceeds simultaneously with the gel formation and polycondensation reactions, resulting in the condensation of the geopolymer material and the development of strength. In addition, due to the increased reactivity, higher proportions of fly ash are used in geopolymer materials.

따라서, 본 발명은 플라이 애쉬로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정에 있어서, a) 건조한 상태에서 10 내지 60분 동안 고에너지 밀링에 의해 플라이 애쉬를 기계적으로 활성화시키고 그 크기를 1 내지 30 미크론 사이의 범위로 감소시키는 단계; b) 5 내지 50 wt% 의 알칼리성 활성제와 50 내지 95 wt% 의 물을 10 내지 60분 동안 휘저으면서 혼합하는 단계; c) a)단계에서 얻어진 60 내지 90 wt% 의 진동 밀링된 플라이 애쉬와 b)단계에서 얻어진 10 내지 40 wt% 의 알칼리성 활성제 용액을 15 내지 30분 동안 밀접하게 혼합하는 단계; d) 상기 혼합된 분말을 2 내지 10분 동안 진동 압축하거나 50 내지 250 kg/㎠ 범위의 압력으로 압축하여 형성하는 단계; 및 e) 상기 형성된 물질을 주위 온도(ambient temperature)에서 2 내지 24 시간 동안 건조시키고, 50 내지 200℃ 의 온도범위에서 1 내지 24 시간 동안 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조공정을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a process for preparing a geopolymer material from a fly ash, comprising a) mechanically activating the fly ash by high energy milling for 10 to 60 minutes in a dry state and ranging in size from 1 to 30 microns. Reducing to; b) mixing 5-50 wt% of alkaline active agent with 50-95 wt% of water while stirring for 10-60 minutes; c) intimately mixing 60 to 90 wt% of the vibration milled fly ash obtained in step a) and 10 to 40 wt% of the alkaline activator solution obtained in step b) for 15 to 30 minutes; d) forming the mixed powder by vibrating compaction for 2 to 10 minutes or by compressing to a pressure in the range of 50 to 250 kg / cm 2; And e) drying the formed material for 2 to 24 hours at ambient temperature and curing for 1 to 24 hours at a temperature in the range of 50 to 200 ° C. .

본 발명의 일실시예에서, 사용된 플라이 애쉬는, SiO2 - 40 내지 70중량%, Al2O3 - 20 내지 40중량%, Fe2O3 - 0 초과 5중량% 이내, CaO - 0 초과 5중량% 이내, MgO - 0 초과 1중량% 이내, 및 MnO - 0 초과 2중량% 이내의 조성 범위를 갖는다. In one embodiment of the invention, the fly ash used, SiO 2 - 40 to 70 wt%, Al 2 O 3 - 20 to 40 weight%, Fe 2 O 3 - 0 greater than 5% by weight, CaO - 0 exceeds Composition ranges within 5% by weight, greater than MgO-0 and less than 1% by weight, and greater than MnO-0 and 2% by weight.

또 다른 실시예에서, 사용된 알칼리성 활성제는 산화 나트륨, 수산화 나트륨, 규산 나트륨, 질산 나트륨, 산화 칼륨, 수산화 칼륨, 규산 칼륨 및 질산 칼륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.In another embodiment, the alkaline active agent used is selected from the group consisting of sodium oxide, sodium hydroxide, sodium silicate, sodium nitrate, potassium oxide, potassium hydroxide, potassium silicate and potassium nitrate.

또 다른 실시예에서, 사용된 고에너지 밀링은 진동 밀링, 마모 밀링, 제트 밀링 및 유성 밀링 (planetary milling) 중에서 선택된다.In another embodiment, the high energy milling used is selected from vibratory milling, wear milling, jet milling and planetary milling.

또 다른 실시예에서, 얻어진 지오폴리머 물질은 4 내지 24 시간의 제조시간에 따라 30 내지 160 MPa 범위의 압축강도를 갖는다.In another embodiment, the resulting geopolymer material has a compressive strength in the range of 30 to 160 MPa depending on the production time of 4 to 24 hours.

또 다른 실시예에서, 얻어진 지오폴리머 물질은 0.01 내지 0.02% 범위의 오토클레이브 팽창 (autoclave expansion) 및 5 이상의 경도를 갖는다.In another embodiment, the resulting geopolymer material has an autoclave expansion in the range of 0.01 to 0.02% and a hardness of 5 or more.

또 다른 실시예에서, 얻어진 지오폴리머 물질은 약 900℃ 의 내화값을 갖는다.In yet another embodiment, the resulting geopolymer material has a fire resistance of about 900 ° C.

본 발명의 신규성은 산업폐기물로부터 얻어지는 플라이 애쉬와 같은 값싼 원재료를 사용한다는 점이고, 이 플라이 애쉬를 기계적으로 활성화하여, 4 내지 24 시간의 매우 짧은 시간에 얻어지는 30 내지 150 MPa의 우수한 압축강도, 약 900℃의 내화값, 0.5% 미만의 용적 팽창, 및 모스 경도계로 5 이상의 경도를 갖는 지오폴리머 물질을 제조한다.The novelty of the present invention is the use of inexpensive raw materials, such as fly ash obtained from industrial waste, mechanically activating the fly ash, resulting in an excellent compressive strength of 30 to 150 MPa obtained in a very short time of 4 to 24 hours, about 900 Geopolymer materials having a hardness of at least 5 are prepared with a refractory value of < RTI ID = 0.0 > C < / RTI >

다음 실시예들은 설명의 목적으로 제공되는 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.The following examples are provided for illustrative purposes and should not be construed as limiting the scope of the invention.

실시예 1Example 1

600 그램의 플라이 애쉬가 10분 동안의 마모 밀링에 의해 기계적으로 활성되었다. 이 마모 밀링 후에 얻어진 평균 입경 (X50) 은 8㎛ 이었다. 400 그램의 알 칼리성 활성제가 물과 수산화 나트륨을 1:1 의 비율로 15 분 동안 혼합하여 준비되었다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제는 15분 동안 밀접하게 혼합되었다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제를 혼합하여 100 kg/㎠ 압력의 단축 압축을 이용하여 50mm 두께의 50mm 다이아 (dia) 실린더를 형성하였다. 이 샘플은 주위 온도에서 6 시간 동안 건조되었다. 건조된 샘플은 전기 오븐에서 2 시간 동안 60℃ 에서 경화된 후, 다양한 테스트를 위해 주위 온도로 냉각되었다. 압축강도, 내화성, 오토클레이브 팽창, 및 경도와 같은 물리적 테스트가 표준 테스트 방법에 따라 실시되었다. 얻어진 성질은 표 1 에 나타나 있다.600 grams of fly ash were mechanically activated by wear milling for 10 minutes. Average particle size (X 50) obtained after the abrasion milling was 8㎛. 400 grams of alkaline activator was prepared by mixing water and sodium hydroxide in a ratio of 1: 1 for 15 minutes. Mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed closely for 15 minutes. Mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed to form a 50 mm thick 50 mm dia cylinder using uniaxial compression at 100 kg / cm 2 pressure. This sample was dried for 6 hours at ambient temperature. The dried sample was cured at 60 ° C. for 2 hours in an electric oven and then cooled to ambient temperature for various tests. Physical tests such as compressive strength, fire resistance, autoclave expansion, and hardness were conducted according to standard test methods. The properties obtained are shown in Table 1.

표 1: 상기 지오폴리머 물질의 성질Table 1: Properties of the Geopolymer Material

성질Property value 압축 강도 (MPa) 4 시간 24 시간Compressive strength (MPa) 4 hours 24 hours 100 130    100 130 오토클레이브 팽창 (%)Autoclave expansion (%) 0.020.02 내화성Fireproof 900℃ 견딤Withstand 900 ℃ 경도 (모스경도계)Hardness (Moss Hardness Tester) >5> 5

실시예 2Example 2

700 그램의 플라이 애쉬가 진동 밀링에 의해 30분 동안 기계적으로 활성되었다. 진동 밀링 후에 얻어진 평균 입경 (X50) 은 12㎛ 이었다. 300 그램의 알칼리성 활성제가 물과 수산화 칼륨을 2:1 의 비율로 20분 동안 혼합하여 준비되었다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제는 15분 동안 밀접하게 혼합되었다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제를 혼합하여 120 kg/㎠ 압력의 단축 압축을 이용하여 50mm 두께의 50mm 다이아 실린더를 형성하였다. 이 샘플은 주위 온도에서 8 시간 동안 건조되었다. 이 건조된 샘플은 전기 오븐에서 2 시간 동안 80℃ 에서 경화된 후, 다양한 테스트를 위해 주위 온도로 냉각되었다. 압축강도, 내화성, 오토클레이브 팽창, 및 경도와 같은 물리적 테스트가 표준 테스트 방법에 따라 실시되었다. 얻어진 성질은 표 2 에 나타나 있다.700 grams of fly ash were mechanically activated for 30 minutes by vibratory milling. Average particle size (X 50) obtained after the vibration mill was 12㎛. 300 grams of alkaline activator was prepared by mixing water and potassium hydroxide in a 2: 1 ratio for 20 minutes. Mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed closely for 15 minutes. Mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed to form a 50 mm thick 50 mm diamond cylinder using uniaxial compression at 120 kg / cm 2 pressure. This sample was dried at ambient temperature for 8 hours. This dried sample was cured at 80 ° C. for 2 hours in an electric oven and then cooled to ambient temperature for various tests. Physical tests such as compressive strength, fire resistance, autoclave expansion, and hardness were conducted according to standard test methods. The properties obtained are shown in Table 2.

표 2: 상기 지오폴리머 물질의 성질Table 2: Properties of the Geopolymer Material

성질Property value 압축 강도 (MPa) 4 시간 24 시간Compressive strength (MPa) 4 hours 24 hours 80 95    80 95 오토클레이브 팽창 (%)Autoclave expansion (%) 0.020.02 내화성Fireproof 900℃ 견딤Withstand 900 ℃ 경도 (모스경도계)Hardness (Moss Hardness Tester) >5> 5

실시예 3Example 3

800 그램의 플라이 애쉬가 제트 밀링에 의해 30분 동안 기계적으로 활성화되었다. 제트 밀링 후에 얻어진 평균 입경 (X50) 은 10.2㎛ 이었다. 200 그램의 알칼리성 활성제가 물과 규산 나트륨을 8:2 의 비율로 30분 동안 혼합하여 준비되었다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제는 20분 동안 밀접하게 혼합되었다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제를 혼합하여 150 kg/㎠ 압력의 단축 압축을 이용하여 50mm 두께의 50mm 다이아 실린더를 형성하였다. 이 샘플은 주위 온도에서 8 시간 동안 건조되었다. 이 건조된 샘플은 전기 오븐에서 16 시간 동안 100℃ 에서 경화된 후, 다양한 테스트를 위해 주위 온도로 냉각되었다. 압축강도, 내화성, 오토클레이브 팽창, 및 경도와 같은 물리적 테스 트가 표준 테스트 방법에 따라 실시되었다. 얻어진 성질은 표 3 에 나타나 있다.800 grams of fly ash were mechanically activated for 30 minutes by jet milling. The average particle diameter (X 50 ) obtained after jet milling was 10.2 μm. 200 grams of alkaline activator was prepared by mixing water and sodium silicate at a ratio of 8: 2 for 30 minutes. Mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed closely for 20 minutes. Mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed to form a 50 mm thick 50 mm diamond cylinder using uniaxial compression at 150 kg / cm 2 pressure. This sample was dried at ambient temperature for 8 hours. This dried sample was cured at 100 ° C. for 16 hours in an electric oven and then cooled to ambient temperature for various tests. Physical tests such as compressive strength, fire resistance, autoclave expansion, and hardness were performed according to standard test methods. The properties obtained are shown in Table 3.

표 3: 상기 지오폴리머 물질의 성질Table 3: Properties of the Geopolymer Material

성질Property value 압축 강도 (MPa) 4 시간 24 시간Compressive strength (MPa) 4 hours 24 hours 40 60    40 60 오토클레이브 팽창 (%)Autoclave expansion (%) 0.010.01 내화성Fireproof 900℃ 견딤Withstand 900 ℃ 경도 (모스경도계)Hardness (Moss Hardness Tester) >5> 5

실시예 4Example 4

900 그램의 플라이 애쉬가 유성 밀링에 의해 60분 동안 기계적으로 활성화되었다. 유성 밀링 후에 얻어진 평균 입경 (X50) 은 8.5㎛ 이었다. 100 그램의 알칼리성 활성제가 물과 질산 나트륨을 1:1 의 비율로 30분 동안 혼합하여 준비되었다. 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제는 15분 동안 밀접하게 혼합되었다. 이 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 알칼리성 활성제를 혼합하여 200 kg/㎠ 압력의 단축 압축을 이용하여 50mm 두께의 50mm 다이아 실린더를 형성하였다. 이 샘플은 주위 온도에서 12 시간 동안 건조되었다. 이 건조된 샘플은 전기 오븐에서 24 시간 동안 60℃ 에서 경화된 후, 다양한 테스트를 위해 주위 온도로 냉각되었다. 압축강도, 내화성, 오토클레이브 팽창, 및 경도와 같은 물리적 테스트가 표준 테스트 방법에 따라 실시되었다. 얻어진 성질은 표 4 에 나타나 있다.900 grams of fly ash were mechanically activated for 60 minutes by planetary milling. Average particle size (X 50) obtained after the planetary mill was 8.5㎛. 100 grams of alkaline activator was prepared by mixing water and sodium nitrate in a ratio of 1: 1 for 30 minutes. Mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed closely for 15 minutes. This mechanically activated fly ash and alkaline activator were mixed to form a 50 mm thick 50 mm diamond cylinder using uniaxial compression at 200 kg / cm 2 pressure. This sample was dried at ambient temperature for 12 hours. This dried sample was cured at 60 ° C. for 24 hours in an electric oven and then cooled to ambient temperature for various tests. Physical tests such as compressive strength, fire resistance, autoclave expansion, and hardness were conducted according to standard test methods. The properties obtained are shown in Table 4.

표 4: 상기 지오폴리머 물질의 성질Table 4: Properties of the Geopolymer Material

성질Property value 압축 강도 (MPa) 4 시간 24 시간Compressive strength (MPa) 4 hours 24 hours 40 65    40 65 오토클레이브 팽창 (%)Autoclave expansion (%) 0.010.01 내화성Fireproof 900℃ 견딤Withstand 900 ℃ 경도 (모스경도계)Hardness (Moss Hardness Tester) >5> 5

1. 본 발명에 따른 제조공정은 주요 원재료로서 풍부하게 이용가능한 산업폐기물 (플라이 애쉬)을 더 많은 양을 사용하여 지오폴리머 물질을 제조함으로써, 종래의 제조공정에 비해 제조비용을 크게 낮출 수 있다.1. The manufacturing process according to the present invention can produce a geopolymer material using a larger amount of abundantly available industrial waste (fly ash) as the main raw material, thereby significantly lowering the manufacturing cost compared to the conventional manufacturing process.

2. 본 발명에 따른 제조공정은 그 제조를 위한 알루미나, 실리카, 석영, 석영암, 카올리나이트, 일라이트 등과 같은 값비싼 원재료를 산업폐기물로 대체함으로써 자원 보존에 도움이 된다.2. The manufacturing process according to the present invention helps to conserve resources by replacing expensive raw materials, such as alumina, silica, quartz, quartz rock, kaolinite, illite, etc., with industrial waste.

3. 본 발명에 따른 제조공정은 에너지 집약 제분공정에 의해 제조되는 알루미나, 실리카, 석영 및 석영암 분말을 대체하고 산업폐기물 (플라이 애쉬)에 의해 고온에서 하수된 (calcined) 카올리나이트 및 일라이트를 대체함으로써, 종래의 제조공정에 비해 에너지 소비가 현저하게 감소된다.3. The manufacturing process according to the present invention replaces alumina, silica, quartz and quartz rock powders produced by the energy intensive milling process and replaces kaolinite and illite, which are calcined at high temperatures by industrial waste (fly ash). As a result, the energy consumption is significantly reduced compared to the conventional manufacturing process.

4. 본 발명에 따른 제조공정은 저온처리 (50 내지 200℃)를 포함함으로써, CO2 를 거의 또는 전혀 배출하지 않는다.4. The production process according to the invention comprises low temperature treatment (50 to 200 ° C.), thereby releasing little or no CO 2 .

5. 본 발명에 따른 제조공정에 의해 개발된 제조물은 종래 제조공정에 의해 제조된 제조물에 비해 단기간 강도 발현의 면에서 우수하다. 이는 플라이 애쉬를 기계적으로 활성화하여 달성되고, 이로 인해 반응성이 증가하고 강도가 향상된다.5. The product developed by the manufacturing process according to the present invention is superior in terms of short-term strength development compared to the product produced by the conventional manufacturing process. This is achieved by mechanically activating the fly ash, thereby increasing its reactivity and improving its strength.

Claims (7)

a) 건조한 상태에서 10 내지 60분 동안 고에너지 밀링에 의해 플라이 애쉬를 기계적으로 활성화시키고 그 크기를 1 내지 30 미크론 사이의 범위로 감소시키는 단계;a) mechanically activating the fly ash by high energy milling for 10 to 60 minutes in a dry state and reducing its size to a range between 1 and 30 microns; b) 5 내지 50 wt% 의 알칼리성 활성제와 50 내지 95 wt% 의 물을 10 내지 60분 동안 휘저으면서 혼합하는 단계;b) mixing 5-50 wt% of alkaline active agent with 50-95 wt% of water while stirring for 10-60 minutes; c) a)단계에서 얻어진 60 내지 90 wt% 의 진동 밀링된 플라이 애쉬와 b)단계에서 얻어진 10 내지 40 wt% 의 알칼리성 활성제 용액을 15 내지 30분 동안 밀접하게 혼합하는 단계;c) intimately mixing 60 to 90 wt% of the vibration milled fly ash obtained in step a) and 10 to 40 wt% of the alkaline activator solution obtained in step b) for 15 to 30 minutes; d) 상기 혼합된 분말을 2 내지 10분 동안 진동 압축하거나 50 내지 250 kg/㎠ 범위의 압력으로 압축하여 형성하는 단계; 및d) forming the mixed powder by vibrating compaction for 2 to 10 minutes or by compressing to a pressure in the range of 50 to 250 kg / cm 2; And e) 상기 형성된 물질을 주위 온도(ambient temperature)에서 2 내지 24 시간 동안 건조시키고, 50 내지 200℃ 의 온도범위에서 1 내지 24 시간 동안 경화시키는 단계e) drying the formed material for 2 to 24 hours at ambient temperature, and curing for 1 to 24 hours at a temperature range of 50 to 200 ℃ 를 포함하는 플라이 애쉬로부터 지오폴리머 물질의 제조 공정.Process for producing a geopolymer material from a fly ash comprising a. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 플라이 애쉬는 SiO2 - 40 내지 70중량%, Al2O3 - 20 내지 40중량%, Fe2O3 - 0 초과 5중량% 이내, CaO - 0 초과 5중량% 이내, MgO - 0 초과 1중량% 이내, 및 MnO - 0 초과 2중량% 이내의 조성범위를 갖는 것을 특징으로 하는 제조공정.The fly ash is a SiO 2 - 40 to 70 wt%, Al 2 O 3 - 20 to 40 weight%, Fe 2 O 3 - 0 greater than 5% by weight, CaO - 0 greater than 5% by weight, MgO - 0 exceeds 1 And a composition range of less than 2% by weight and less than 2% by weight of MnO. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 알칼리성 활성제는 산화 나트륨, 수산화 나트륨, 규산 나트륨, 질산 나트륨, 산화 칼륨, 수산화 칼륨, 규산 칼륨 및 질산 칼륨으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조공정.Said alkaline activator is selected from the group consisting of sodium oxide, sodium hydroxide, sodium silicate, sodium nitrate, potassium oxide, potassium hydroxide, potassium silicate and potassium nitrate. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고에너지 밀링은 진동 밀링, 마모 밀링, 제트 밀링 및 유성 밀링 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조공정.Wherein said high energy milling is selected from vibration milling, wear milling, jet milling and planetary milling. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 지오폴리머 물질은 4 내지 24 시간의 제조시간에 따라 30 내지 160 MPa 범위의 압축강도를 갖는 것을 특징으로 하는 제조공정.The geopolymer material is characterized in that it has a compressive strength in the range of 30 to 160 MPa according to the production time of 4 to 24 hours. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 지오폴리머 물질은 0.5% 이하의 오토클레이브 팽창 및 모스 경도계로 5 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 제조공정.Wherein the geopolymer material has an autoclave expansion of less than 0.5% and a hardness of 5 or more with a Mohs hardness tester. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 지오폴리머 물질은 900℃ 의 내화값을 갖는 것을 특징으로 하는 제조공정.Wherein said geopolymer material has a refractory value of 900 ° C.
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