KR101265828B1 - 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법 - Google Patents
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Abstract
석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법을 제공한다. 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법은 석고보드 폐기물을 염기성 용액에 넣어 슬러리를 형성하는 단계; 상기 슬러리에 이산화탄소를 주입하는 단계; 및 상기 이산화탄소를 주입한 슬러리를 0.1㎫ 내지 0.5㎫의 압력 및 100℃ 내지 150℃의 온도로 가압 및 가열하는 단계를 포함하는 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법을 포함한다. 따라서 석고보드 폐기물과 이산화탄소의 반응을 이용하여 탄산칼슘(방해석, Calcite)의 합성에 따른 이산화탄소의 고정뿐 아니라 이에 따라 합성한 최종생성물인 탄산칼슘을 합성하여 시멘트의 원료물질로 사용 가능성에 응용할 수 있다.
Description
본 발명은 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압열기를 이용하여 석고보드 폐기물과 이산화탄소 반응을 이용한 이산화탄소 고정화 및 생성물을 시멘트의 원료물질로 사용하는 방법에 관한 것이다.
석고보드는 소석고를 주원료로 하여 톱밥, 섬유, 펄라이트 등을 혼합하고, 경우에 따라서는 발포제를 첨가하고 물로 반죽하여 두 장의 시트 사이에 부어서 판상으로 굳힌 것을 가리킨다.
1902년에 미국에서 발명되었으며 건축 시 벽이나 천장에 사용해 방화재의 역할을 하며 동시에 내장재 역할을 하는 자재이다. 방화성이 우수하여 건물골조의 초기방화 및 연소지연에 큰 역할을 하고, 시공이 간편하여 공기를 단축시킬 수 있으며, 중량이 가벼워 건물구조비가 절감된다.
석고는 그 자체가 안정된 결정상태이므로 온도나 습도변화에 따른 신축변형이 없고 열전도율이 낮아 보온성이 높다. 석고보드는 단열성, 방화성, 차음성, 방수성, 경량 및 시공성, 방균성, 경제성, 내진성 등의 특징을 가지고 있다.
급속한 경제성장과 더불어 현재 국내 건설업은 점차 다양화, 대형화, 초고층화 되어가고 있는 실정이다. 그리고 전국적으로 아파트를 대형으로 건설하고 있는 우리나라 건설업계에서는 설계, 자재, 시공의 원활한 정보교환을 기반으로 효율의 극대화를 위해 많은 노력을 하고 있는 반면, 건설폐기물이 크게 증가하고 있는 실정이다.
그 중 석고보드는 대부분의 건축 공사 시에 사용하고 있고 연간 30만톤 이상 발생하여 전체 건설폐기물의 발생량의 약 3% 이상 발생하고 있다. 사회기반시설 확충 공사 및 도시 재개발 사업, 재건축사업이 폭 넓게 진행됨에 따라 석고보드 폐기물의 배출은 꾸준히 증가할 것으로 예상된다.
이에 따라, 건축 공사 시 발생되는 석고보드 폐기물의 감량을 위한 노력과 적정처리에 대한 연구가 절실히 필요하다. 건설폐기물 처리방안에 관한 연구는 진행 되었지만, 석고 보드 폐기물 현황 조사와 처리방안에 관한 연구가 미흡하다.
석고보드 폐기물은 중간처리업자 등에 의한 파쇄, 종이의 분리를 거쳐, 일부는 석고보드의 원료로의 재활용이 이루어진다고 하지만 실질적으로는 석고보드 폐기불의 분별 및 선별의 곤란성, 석고보드의 재활용시장의 부족 등으로 대부분은 매립 처분되고 있는 실정이다.
한편, 우리나라의 이산화탄소 증가율은 OECD 국가 중 1위이고, 전 세계 제10위의 이산화탄소 배출 국가로서 2013년부터는 탄소배출 감소 의무국으로 지정돼 강도 높은 감축 요구를 받을 것으로 예상된다.
따라서, 이에 대비한 감축 계획의 수립이 필요하다. 이러한 점에서 CCS(Carbon Capture and Storage)가 연구되고 있다. CCS 기술 중 물리적 방법으로는 이산화탄소 심해저장, UGS(Underground Gas Storage), 지하수용해, 지중저장 등의 다양한 방법들이 검토 및 시도 될 예정이다.
그러나, 상기 방법들은 값비싼 이산화탄소 모니터링 시스템을 운용해야 하는 단점이 있다. 또한, 우리나라에는 지질구조상 지중저장 장소가 많지 않은 문제점이 있다.
따라서, 광물을 구성하고 있는 알칼리 토금속 성분을 이산화탄소와 반응시켜 열역학적으로 안정된 상태의 탄산염광물로 변화시키는 탄산염광물화 작용에 대한 연구가 활발하다.
전치완 외(이산화탄소 포집을 위한 부산석고와 탄산암모늄의 광물탄산화에 대한 반응성 고찰, Chemistry, 2010, 14(1), 81-84.)는 부산석고를 이용하여 이산화탄소를 포집하기 위한 방법으로 암모니아와 이산화탄소의 반응에서 얻어진 탄산암모늄과 부산석고와의 광물탄산화에 대해 연구하였다.
다만, 석고보드 폐기물을 직접 사용하여 이산화탄소 고정을 포함한 생성물의 재활용에 관한 연구는 이루어진 바가 없다.
따라서, 석고보드 폐기물을 이용하여 이산화탄소의 고정 및 생성물의 재활용에 관한 기술을 개발할 필요성이 있다.
전치완 외, 이산화탄소 포집을 위한 부산석고와 탄산암모늄의 광물탄산화에 대한 반응성 고찰, Chemistry, 2010, 14(1), 81-84.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 석고보드 폐기물을 이용하여 석고보드 폐기물-이산화탄소 상호반응을 이용하여 이산화탄소 고정화를 수행하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 석고보드 폐기물을 재활용하여 시멘트의 원료물질인 탄산칼슘을 제조하는 기술을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 석고보드 폐기물을 염기성 용액에 넣어 슬러리를 형성하는 단계; 상기 슬러리에 이산화탄소를 주입하는 단계; 및 상기 이산화탄소를 주입한 슬러리를 0.1㎫ 내지 0.5㎫의 압력 및 100℃ 내지 150℃의 온도로 가압 및 가열하는 단계를 포함하는 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법을 제공한다.
상기 슬러리를 형성하는 단계 이전에, 석고보드 폐기물을 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 석고보드 폐기물을 분쇄하는 단계는 상기 석고보드 폐기물을 75㎛ 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
상기 염기성 용액은 중탄산 이온을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO3를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 석고보드 폐기물과 이산화탄소의 반응을 이용하여 탄산칼슘(방해석, Calcite)의 합성에 따른 이산화탄소의 고정뿐 아니라 이에 따라 합성한 최종생성물인 탄산칼슘을 합성하여 시멘트의 원료물질로 사용 가능성에 응용할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 입자의 XRD 결과분석 그래프이다.
도 2는 석고보드 폐기물의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 3은 석고보드 폐기물에 이산화탄소 주입을 통해 형성된 입자의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 4는 석고보드 폐기물에 이산화탄소 주입 후, 가압 및 가열 단계를 통해 형성된 입자의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 2는 석고보드 폐기물의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 3은 석고보드 폐기물에 이산화탄소 주입을 통해 형성된 입자의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 4는 석고보드 폐기물에 이산화탄소 주입 후, 가압 및 가열 단계를 통해 형성된 입자의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
실시예
본 발명의 일 실시예에 따른 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법에 대하여 설명한다.
먼저, 석고보드 폐기물을 분쇄한다. 상기 석면 함유 물질의 길이를 75㎛ 이하로 분쇄(Grinding)함이 바람직하다. 이는 석면 함유 물질의 표면적을 넓혀 이산화탄소와의 반응을 촉진시키기 위함이다.
다만, 상기 석고보드 폐기물의 분쇄 과정은 생략될 수 있다. 만일, 석고보드 폐기물의 분쇄 과정을 생략할 경우, 분쇄 과정에서 발생하는 석고보드 폐기물의 비산을 방지할 수 있는 이점이 있다.
상기 석고보드 폐기물을 매개체 용액(Carrier solution)을 이용하여 슬러리를 형성한다.
상기 매개체 용액(Carrier solution)으로 염기성 용액을 사용할 수 있다. 상기 염기성 용액은 중탄산 이온(HCO3 -)을 포함할 수 있다. 중탄산(HCO3 -)이 포함된 염기성 용액은 석고보드 폐기물과 이산화탄소가 반응할 때, 이산화탄소가 쉽게 고정될 수 있게 해준다.
상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO3을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 슬러리에 이산화탄소를 주입한다. 상기 슬러리에 이산화탄소를 주입할 때 일정 압력을 이용하여 주입할 수 있다.
상기 이산화탄소를 주입한 슬러리를 가압 및 가열하여 탄산염광물화 반응(Mineral carbonation)을 진행한다.
즉, 이산화탄소를 주입한 슬러리에 일정 압력 및 온도를 가할 경우, 석고보드 폐기물과 이산화탄소가 반응하여 탄산염광물을 형성한다.
탄산염광물화 반응(Mineral carbonation)이란, 자연계의 풍화작용을 모방하여 광물을 구성하고 있는 알칼리 토금속 성분을 이산화탄소와 반응시켜 열역학적으로 안정된 상태의 탄산염광물로 변화시키는 반응이다.
탄산염광물화 반응은 발열반응이며, 탄산염광물화 반응결과의 생성물은 에너지 준위가 60 내지 180 kJ/mol로 이산화탄소보다 낮다. 이러한 에너지 준위로 보았을 때 탄산염광물의 형태로 이산화탄소를 고정시키는 것이 안정된 에너지 준위의 상태로 장기간 이산화탄소를 고정화시킬 수 있다. 따라서, 안정된 에너지 준위의 상태로 이산화탄소를 고정화시키므로, 이산화탄소의 고정 상태를 추가적으로 관리하기 위한 별도의 모니터링 시스템도 필요하지 않는 장점이 있다.
상기 가압 및 가열 공정은 압열기(Autoclave)를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 가압 및 가열 공정은 0.1㎫ 내지 0.5㎫의 압력 및 100℃ 내지 150℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 압력 및 온도 범위에서 석고보드의 주 구성광물인 석고(CaSO4)가 슬러리 내 이산화탄소가 용존되어 존재하는 중탄산(HCO3 -)과 반응하여 짧은 시간(30분 이내)에 탄산칼슘(CaCO3)이 합성될 수 있다. 또한, 상기 압력 및 온도 범위는 미생물을 멸균할 수 있는 압력 및 온도 조건이다.
또한, 상기 가압 및 가열 공정을 20분 이상 유지하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 가압 및 가열 공정의 유지 시간이 20분 미만인 경우, 탄산염광물화 작용을 수행하는데 시간이 불충분할 우려가 있다.
따라서, 상기 이산화탄소를 주입한 슬러리에 일정 압력 및 온도를 가할 경우, 탄산염광물화 작용이 진행되어 이산화탄소가 고정되고 그 생성물로 시멘트 원료물질인 탄산칼슘(CaCO3)이 합성된다.
제조예
1
석고보드 폐기물의 표면적을 높이기 위해 분쇄기(Pulverizer)를 이용하여 가루로 만든 뒤 75㎛(200 Mesh) 채에 걸렀다.
120㎖ 미디어병에 물 30㎖, 75㎛ 이하의 석고보드 폐기물 4.5g, NaCl 1.7535g(1M), NaHCO3 1.6129g(0.64M)를 주입하여 슬러리를 형성하였다.
상기 슬러리에 이산화탄소 가스를 0.2㎫ 압력으로 주입하였다.
탄산염광물화 작용을 가속화하기 위한 가압 및 가열하는 단계로 압열기(Autoclave)를 이용하여 120℃, 0.25㎫의 조건으로 20분간 유지해주었다.
분석의 용의성을 위하여, NaCl을 제거하기 위해 물을 10㎖ 넣고, 원심분리기(Centrifuge)를 이용하여 3회 반복한 후 자연건조 시켰다.
비교예
1
탄산염광물화 작용을 가속화하기 위한 가압 및 가열하는 단계를 생략한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하였다.
실험예
1
75㎛ 이하로 분쇄한 석고보드 폐기물(원시료)과 제조예 1 및 비교예 1에 의해 형성된 입자를 X-선 회절 분석(XRD)으로 비교하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 입자의 XRD 결과분석 그래프이다.
도 1을 참조하면, 75㎛ 이하로 분쇄한 석고보드 폐기물(원시료)은 주로 석고(Gypsum, 이하 라고 한다.)와 방해석(Calcite, 이하 라고 한다.)로 구성되어 있었다.
비교예 1에 의해 형성된 입자는 이산화탄소 주입 후 압열기(Autoclave)를 사용하지 않은 경우로서, 광물의 상전이가 없었다.
반면, 제조예 1에 의해 형성된 입자는 이산화탄소 주입 후 압열기(Autoclave)를 사용한 경우로서, 시멘트 원료물질인 방해석(Calcite)으로 광물의 상전이가 일어남을 확인할 수 있었다.
실험예
2
75㎛ 이하로 분쇄한 석고보드 폐기물(원시료)과 제조예 1 및 비교예 1에 의해 형성된 입자를 광물의 크기와 모양 및 구성 성분을 확인하기 위해 주사전자현미경분석(SEM-EDX)을 실시하였다.
도 2는 석고보드 폐기물의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 2를 참조하면, 석고보드 폐기물(원시료)은 지름이 30㎛ 내지 40㎛인 동그란 형태와 길이가 30㎛ 내지 35㎛인 직사각형 모양의 석고(Gypsum)가 확인되었다.
도 3은 석고보드 폐기물이 포함된 슬러리에 이산화탄소 주입을 통해 형성된 입자(비교예 1)의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 3을 참조하면, 이산화탄소 주입 후 압열기를 사용하지 않은 경우, 원시료와 같이 황(S) 성분이 들어있는 석고(Gypsum)가 확인되었다.
따라서, 석고보드 폐기물이 포함된 슬러리에 이산화탄소를 주입한 이후에 일정 압력 및 온도를 가하지 않은 경우, 시멘트 원료물질인 방해석(Calcite)으로 광물의 상전이가 일어나지 않음을 확인할 수 있었다.
도 4는 석고보드 폐기물이 포함된 슬러리에 이산화탄소 주입 후, 가압 및 가열 단계를 통해 형성된 입자(제조예 1)의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 4를 참조하면, 이산화탄소 주입 후 압열기를 사용한 경우 형성된 입자는 지름이 20㎛ 내지 30㎛인 둥근 형태의 시멘트의 원료물질인 방해석(Calcite)이 확인되었다.
이 때, 석고보드 폐기물의 구성광물인 석고(Gypsum)는 탄산염광물로 상전이가 일어나면서 석고의 주성분인 황(S)은 기체상태의 SOx로 미디어병(Serum bottle)의 윗 공간(headspace)에 존재하게 된다.
따라서, 상기에 제시된 온도와 압력 조건의 압열기를 사용하여 석고보드 폐기물을 이산화탄소와 반응시켜 이산화탄소를 고정시키고 형성된 생성물인 탄산칼슘을 이용하여 시멘트 원료물질로 합성 가능함을 확인하였다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (5)
- 석고보드 폐기물을 염기성 용액에 넣어 슬러리를 형성하는 단계;
상기 슬러리에 이산화탄소를 주입하는 단계; 및
상기 이산화탄소를 주입한 슬러리를 0.1㎫ 내지 0.5㎫의 압력 및 100℃ 내지 150℃의 온도로 20분 내지 30분 동안 가압 및 가열하여, 석고의 탄산염화를 가속시키는 단계를 포함하는 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법. - 제1항에 있어서, 상기 슬러리를 형성하는 단계 이전에,
석고보드 폐기물을 분쇄하는 단계를 더 포함하는 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법. - 제2항에 있어서,
상기 석고보드 폐기물을 분쇄하는 단계는 상기 석고보드 폐기물을 75㎛ 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법. - 제1항에 있어서,
상기 염기성 용액은 중탄산 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법. - 제1항에 있어서,
상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO3를 포함하는 것을 특징으로 하는 석고보드 폐기물을 이용한 이산화탄소의 고정 및 탄산칼슘 합성방법.
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