KR101602619B1

KR101602619B1 - 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 이용한 고강도 지오폴리머 제조방법

Info

Publication number: KR101602619B1
Application number: KR1020140120073A
Authority: KR
Inventors: 김유택; 이기강; 강승구; 김강덕; 최준원
Original assignee: 경기대학교 산학협력단
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-11

Abstract

폐자원 활용의 다양화 관점에서 폐촉매 슬래그를 재활용하여 고강도의 지오폴리머를 제조하는 방법이 개시된다. 본 발명은 (a) 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 주성분으로 하는 폐촉매 슬래그 및 알칼리 활성화제 용액을 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 혼합물을 경화하는 단계; 및 (c) 및 상기 경화된 경화물을 재령하는 단계;를 포함하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

Description

도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 이용한 고강도 지오폴리머 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF GEOPOLYMER HAVING HIGH STRENGTH BY USING MUNICIPAL SOLID WASTE SLAG AND WASTE CATALYST SLAG}

본 발명은 지오폴리머 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지오폴리머 합성 공정에 있어 특정 폐자원을 이용하여 고강도의 지오폴리머를 제조하는 방법에 관한 것이다.

폐기물 양이 점차 증가하는 현대사회에서 환경 친화적인 재료에 대한 필요성은 더욱더 두드러지고 있다. 예컨대 시멘트는 건축 토목 등의 분야에서 많이 사용되는 중요한 원료이지만, 그 합성과정에서 이산화탄소 배출량이 너무 많다는 단점이 있다. 실제로 지구상 총 이산화탄소 배출량 중에서 5~7%가 시멘트 제조공정에서 나온다.

지오폴리머는 실리카와 알루미나가 풍부한 무기물 원료에 알칼리성 액체를 첨가하여 실리카와 알루미나 이온을 용출시키고, 이로부터 중합반응이 발생하여 Si-O-Al-O 결합이 이루어지면서 경화된 제품이다. 세라믹 원료로서 경화체가 형성되면 여러 건축 토목 분야에 골재, 판넬 등에 적용 가능성이 높아진다. 그런데 지오폴리머는 제조과정에서 이산화탄소를 배출하지 않을 뿐 아니라, 무기계 폐자원을 재활용할 수 있어 여러 측면에서 친환경성 제품이며, 따라서 여러 가지 녹색기술이 융합되어 제조되는 제품이라 할 수 있다. 예컨대 석탄 비산재로부터 지오폴리머를 생산할 때 이산화탄소 배출량은 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)를 제조할 때와 비교하면 약 80% 이하로 매우 적다. 이산화탄소 배출량의 지속적인 감소를 위해 지오폴리머 콘크리트는 기존의 OPC 기반 콘크리트를 대체하는 유망한 재료인 것이다.

지오폴리머 반응은 실리카-알루미나 화합물로부터 발생하며, 이때 알칼리가 존재하면 지오폴리머 반응을 크게 활성화시킨다. 3차원적 비정질 구조를 갖는 지오폴리머는 1978년 Davidovits가 처음으로 명명하였다(J. Davidovits, "Geopolymer: Man-made Rock Geo-synthesis and the resulting development of very early high strength cement", J. Mater. Education. 16 (1994) 91). 지오폴리머는 제조가 상온~100℃ 범위에서 이루어지기 때문에 이산화탄소 배출이 거의 없다는 장점 이외에도 제조에 필요한 에너지 양이 낮다는 경제적 장점도 갖는다.

강알칼리 환경에서 알루미노실리케이트 비정질 재료는 SiO₄, AlO₄ 사면체 이온들이 쉽게 용해되어 나온다. 중축합 반응을 통해 사면체는 서로 연결되어 비정질 지오폴리머가 형성된다. 지오폴리머 반응을 통해 Al, Si 원자가 중심이 되는 고분자 중합체의 중추가 형성되는 것이다.

폐자원을 이용한 지오폴리머 제조방법에 관해서는 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 예컨대, 폐유리(등록특허 제1078336호), 건축물 폐재(등록특허 제1120062호), 플라이 애쉬(등록특허 제1315371), 석탄재 및 고로슬래그(등록특허 제1218654호) 등을 이용한 지오폴리머 제조방법이 개시되고 있다.

한편 도시 고형 폐기물이란 집단 취락이라는 의미의 도시(따라서 농어촌 등 일체의 집단 취락을 포함한다.)에서 발생되는 폐기물 중 액상 및 기상의 폐기물과 구분되는 고체 상태의 폐기물을 지칭하는 것으로, 현행 폐기물 관리법상의 생활 폐기물과 하수 슬러지를 포함하고, 사업장 폐기물 중 생활 폐기물과 동질한 구성내용을 가지는 사업장 생활계 폐기물을 포함할 수 있고, 생활 폐기물 및 사업장 생활 폐기물과 통합되었을 때 구성의 동일성을 저해하지 않는 범위 내에서 사업장 배출시설계 폐기물도 포함할 수 있다. 예컨대 도시 고형 폐기물에는 음식물 쓰레기, 종이, 나무, 폐플라스틱, 폐비닐, 폐철 등 유기물과 무기물을 모두 포함하는 것으로 보는데, 이러한 도시 고형 폐기물은 그대로 매립하거나 소각하여 처리되어 환경오염을 야기시키며, 일부 폐기물 내의 유기 획분을 생물학적으로 변환시켜 퇴비로 재활용한 사례는 있으나, 아직까지 이를 건축 토목 등의 분야에 원료로서 재활용하고자 하는 시도는 찾기 어려운 실정이다.

또한 폐촉매는 정유공장에서 발생하는 석유화학 부문에서 나오는 것, 자동차 배기가스에서 배출되는 것 등이 있는데, 배출되는 폐촉매 슬래그도 역시 그대로 폐기되어 환경오염 문제를 야기시킨다. 현재까지 이러한 폐촉매 슬래그의 재활용 방안으로 인공경량골재 원료로 사용된 예가 있었으나(S. Kang, S. Jo, "A study on the properties of artificial aggregates containing bottom ash from the power plant and waste catalyst slag", Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology, Vol. 22, No. 4 (2012) 200-206), 지오폴리머 합성 원료로 사용된 예는 보고되지 않고 있다.

따라서 본 발명은 폐자원 활용의 다양화 관점에서 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 재활용하여 고강도의 지오폴리머를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, (a) 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 주성분으로 하는 도시 고형 폐기물 슬래그(municipal solid waste slag; MSWS), 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 주성분으로 하는 폐촉매 슬래그(waste catalyst slag; WCS) 및 알칼리 활성화제 용액을 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 혼합물을 경화하는 단계; 및 (c) 상기 경화된 경화물을 재령하는 단계;를 포함하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

또한 상기 (a) 단계에서 상기 도시 고형 폐기물 슬래그 및 상기 폐촉매 슬래그는 8:2~6:4의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

또한 상기 지오폴리머는 Si/Al 원자비가 0.99~1.14인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

또한 상기 알칼리 활성화제 용액은 농도가 5~25M인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

또한 상기 혼합물의 액상/고상 중량비는 0.05~0.25인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

또한 상기 경화는 40~90℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

또한 상기 재령은 1~30일간 수행되는 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

또한 상기 지오폴리머는 압축강도가 150㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 폐자원을 이용한 지오폴리머 합성에 있어 특정 성분을 주성분으로 하는 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 이용하여 알카리 활성화제 용액과의 혼합, 경화 및 재령을 통해 지오폴리머를 합성하되, 특히 원료의 혼합비, Si/Al 원자비, 경화 온도 및 재령 시간 등을 최적화하여 극적으로 향상된 압축강도를 갖는 지오폴리머를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그 원료에 대하여 결정상 분석을 수행한 결과를 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 지오폴리머 시편에 대하여 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 지오폴리머 시편에 대하여 주사전자현미경으로 파단면을 관찰한 결과를 나타낸 사진.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 (a) 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 주성분으로 하는 도시 고형 폐기물 슬래그(municipal solid waste slag; MSWS), 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 주성분으로 하는 폐촉매 슬래그(waste catalyst slag; WCS) 및 알칼리 활성화제 용액을 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 혼합물을 경화하는 단계; 및 (c) 상기 경화된 경화물을 재령하는 단계;를 포함하는 지오폴리머 제조방법을 개시한다.

지오폴리머(geopolymer)는 시멘트를 대체할 환경 친화적인 재료로서 통상 SiO₂, Al₂O₃, CaO의 3성분계 조성으로 구성된 원료로부터 제조된다. 특히 비정질 상이 많이 포함된 원료를 사용할 경우 우수한 물리 화학적 특성을 갖는 지오폴리머가 제조된다. 본 발명에서는 도시 생활 폐기물과 하수 슬러지로 이루어진 도시 고형 폐기물 슬래그와 자동차에서 배출되는 폐촉매 슬래그가 비정질 구조를 갖는 것을 밝히고, 이를 원료로 하여 매우 높은 압축강도(약 150MPa)를 갖는 지오폴리머를 제조할 수 있음을 제시한다. 또한 본 발명에서는 도시 고형 폐기물 슬래그와 폐촉매 슬래그의 혼합물의 Si/Al 원자비 조절을 통해 지오폴리머의 미세구조 제어 및 지오폴리머의 특성에 미치는 영향을 분석하여, 특히 압축강도를 매우 높게 향상시킬 수 있음을 제시한다.

즉 폐촉매 슬래그는 높은 알루미나(Al₂O₃) 함유량 및 낮은 산화철(Fe₂O₃) 함유량을 갖는 반면, 도시 고형 폐기물 슬래그는 낮은 알루미나(Al₂O₃) 함유량 및 산화철(Fe₂O₃) 함유량을 갖는데, 본 발명에서는 이렇게 다른 성분비로 이루어진 두 슬래그를 혼합하여 제조되는 고강도의 지오폴리머를 제시한다.

본 발명에서 사용되는 도시 고형 폐기물 슬래그는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 주성분으로 하며, 산화마그네슘(MgO), 산화나트륨(Na₂O), 산화칼륨(K₂O), 이산화티타늄(TiO₂), 오산화인(P₂O₅) 등이 소량 포함될 수 있다. 이때 실리카는 20~60중량%, 알루미나는 10~40중량%, 산화철은 5~15중량%, 칼시아는 7~35중량% 함량으로 함유될 수 있고, 산화마그네슘은 1~8중량%, 산화나트륨은 1~8중량%, 이산화티타늄은 0.5~5중량%, 오산화인은 1~9중량% 함량으로 함유될 수 있으며, 본 발명의 합성 조건을 고려할 때 일반 도시 생활 폐기물과 하수 슬러지에서 유래된 슬래그가 유리하게 사용될 수 있다.

또한 폐촉매 슬래그는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 주성분으로 하며, 산화마그네슘(MgO), 이산화지르코늄(ZrO₂), 산화철(Fe₂O₃) 및 이산화티타늄(TiO₂)이 소량 포함될 수 있다. 이때 실리카는 28~32중량%, 알루미나는 34~38중량%, 칼시아는 21~25중량% 함량으로 함유된 것이 바람직하며, 본 발명의 합성 조건을 고려할 때 자동차 배기가스에서 배출된 것이 유리하게 사용될 수 있다.

이러한 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그는 후술하는 알칼리 활성화제 용액과의 혼합 전에 건조하여 사용될 수 있으며, 예컨대 100~120℃에서 12~36시간 정도 건조하여 사용될 수 있다.

지오폴리머 반응 및 그 제품의 강도에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 Si/Al 비율인데, 본 발명에서는 도시 고형 폐기물 슬래그 원료에 치환되는 폐촉매 슬래그 함량을 조절하여 지오폴리머를 제조할 경우 Si/Al 비율이 제어될 수 있고, 일정 Si/Al 원자비 범위에서 초고강도의 지오폴리머가 제조될 수 있음을 발견하였다.

따라서 본 발명의 구현예에 따르면 상기 (a) 단계에서 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그는 8:2~6:4의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법과, 이때 지오폴리머는 Si/Al 원자비가 0.99~1.14인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법을 개시한다.

상기 Si/Al 원자비 범위로 맞추어 지오폴리머를 제조할 경우 150㎫ 이상의 압축강도를 갖는 초고강도 지오폴리머를 제조할 수 있으며, 이는 폐촉매 슬래그를 단독으로 사용했을 때보다 약 30% 정도 높은 강도라 할 수 있다. 상기 Si/Al 원자비 범위로 맞추어 제조된 지오폴리머는 매우 치밀한 구조를 갖게 된다. 세라믹 제품은 통상 치밀한 구조를 갖을 때 높은 강도를 나타내는데, 본 발명에서는 상기 Si/Al 원자비 범위로 맞추어 제조될 경우 가장 치밀한 구조를 갖으며 그 결과 가장 높은 강도를 나타내는 것으로 확인되었다.

한편 도시 고형 폐기물과 폐촉매의 혼합 슬래그의 입자크기 제어를 통해 최종 제조되는 지오폴리머의 압축강도를 극대화시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 비정질 상이 많이 포함된 원료를 사용할 경우 우수한 물리 화학적 특성을 갖는 지오폴리머를 제조할 수 있는데, 입도분포(입경 기준)가 대략 10~500㎛인 혼합 슬래그가 적합하게 사용될 수 있다. 상기 혼합 슬래그의 입도분포에서 입도가 커질수록 완전한 비정질을 나타낼 수 있으나, 최종 제조되는 지오폴리머의 압축강도 향상을 고려하면 혼합 슬래그의 입도분포는 10~180㎛인 것이 더욱 바람직하고, 20~150㎛인 것이 더욱더 바람직하고, 30~120㎛인 것이 가장 바람직하다.

도시 고형 폐기물과 폐촉매의 혼합 슬래그는 자체적으로 지오폴리머 반응을 할 수 없기 때문에 유리질 피막을 깨고 지오폴리머 반응에 관여하는 Si⁴ ⁺, Al³ ⁺ 이온을 용출시켜 반응을 일으킬 수 있는 강알칼리 활성화제를 사용하는데, OH^-의 농도가 높을수록 SiO₂-Al₂O₃ 유리질 결합을 빨리 분해시키고 많은 양의 반응 이온들을 생성하게 된다. 따라서 알칼리 이온 농도가 높으면 혼합 슬래그 활성화에 중요한 결정요소로서 알칼리 활성화제가 혼합 슬래그의 반응물질 분해를 촉진시켜 높은 강도를 갖는 지오폴리머를 제조할 수 있게 된다.

이러한 알칼리 활성화제로서 상기 혼합 슬래그와 반응(포졸란 반응)하여 수경성을 갖는 실리케이트나 알루미네이트 등의 성분을 생성하도록 하는 수용성 알칼리수산화물이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예컨대 증류수에 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH) 등이 혼합된 용액으로 농도 5~25M, 바람직하게는 10~20M의 알칼리 활성화제 용액이 사용될 수 있다. 알칼리 활성화제 용액은 예컨대, 증류수에 수산화나트륨을 적정 농도로 혼합하고, 이를 25~90℃ 온도로 가열하면서 혼합시켜 준비할 수 있다.

이때 상기 혼합 슬래그 함량에 대해 많은 양의 반응 이온 생성을 위한 혼합된 용액의 액상/고상 중량비는 0.05~0.25로 유지하는 것이 바람직하고, 0.1~0.2로 유지하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 중량비가 0.05 미만일 경우 혼합 슬래그 함량 대비 반응 이온 생성 정도가 한계에 이를 수 있고, 0.25를 초과할 경우 알칼리 활성화제 함량 대비 최대한의 반응 이온 생성이 어려울 수 있다.

본 발명에서 상기 혼합 슬래그 및 알칼리 활성화제의 혼합 용액 경화 시 온도 조건이 지오폴리머의 결정상이나 강도 발현에 유의적인 영향을 미친다. 즉 경화 온도에 따라 포졸란 반응(pozzolanic reaction)이 일어나 결정상이 나타나도록 할 수 있으며, 강도 발현 양상이 달라질 수 있다. 최종 제조되는 지오폴리머의 압축강도 향상의 관점에서 경화 온도는 40~90℃인 것이 바람직하며, 50~80℃인 것이 더욱 바람직하다. 상기 경화는 예컨대, 혼합 용액에 약간의 압력을 주어 펠렛 형태로 성형한 후, 수분 손실을 막기 위해 수지 백에 넣어 수행될 수 있다.

또한 상기 경화 단계 이후 재령 기간에 따라서도 지오폴리머의 결정상이나 강도 발현에 유의적인 영향을 미치는데, 본 발명에서 재령은 1~30일간 수행되는 것이 바람직하고, 7~28일간 수행되는 것이 더욱 바람직하다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시예 1

도시 생활 폐기물과 하수 슬러지를 1300~1400℃에서 상압으로 가스화 과정에서 생성된 슬래그인 도시 고형 폐기물 슬래그(MSWS)와 자동차에서 배출되는 폐촉매를 용융하여 귀금속을 회수하고 남은 폐촉매 슬래그(WCS)로서, XRF 분석(SPECTRO 2000)에 따라 하기 표 1의 화학적 조성(단위: 중량%)을 갖는 원료를 각각 준비하여 110℃에서 24시간 건조 후 사용하였다. 각각의 슬래그 원료를 플랜터리 밀(plantery mill)을 사용하여 분쇄한 후 106㎛ 이하로 체거름을 실시하였다. 이후 볼 밀(ball-mill)을 통해 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 80:20 중량비 조성으로 혼합하였다. 지오폴리머 제품의 반응을 활성화시키기 위한 알칼리 활성화제 용액으로 증류수에 수산화나트륨을 혼합하여 16M 농도가 되게 맞추고 상기 원료를 혼합한 후 25~90℃에서 가열하면서 마그네틱 바를 이용하여 회전 혼합시켰다. 이때 액상/고상 비율은 0.15로 고정하였다. 혼합된 용액에 250㎏f의 압력을 주어 펠렛(직경 10㎜, 높이 10㎜) 형태로 성형한 후, 수분 손실을 막기 위해 폴리에틸렌 지퍼백에 넣어 내부가 99% 이상의 습도를 갖도록 하고 건조기에서 50~80℃ 조건으로 24시간 동안 경화를 실시하였다. 이후, 경화물을 탈형하여 상온에서 재령하여 1.14의 Si/Al 원자비를 갖는 최종 지오폴리머 시편을 제조하였다.

[표 1] 도시 고형 폐기물 슬래그(MSWS) 및 폐촉매 슬래그(WCS) 조성 예시(단위: 중량%)

실시예 2

실시예 1에서 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 60:40 중량비 조성으로 혼합하여 0.99의 Si/Al 원자비를 갖도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 지오폴리머 시편을 제조하였다.

실시예 3

실시예 1에서 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 40:60 중량비 조성으로 혼합하여 0.87의 Si/Al 원자비를 갖도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 지오폴리머 시편을 제조하였다.

실시예 4

실시예 1에서 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그를 20:80 중량비 조성으로 혼합하여 0.78의 Si/Al 원자비를 갖도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 지오폴리머 시편을 제조하였다.

실시예 5

실시예 1에서 원료로 폐촉매 슬래그만을 사용하여 0.70의 Si/Al 원자비를 갖도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 지오폴리머 시편을 제조하였다.

실시예 6

실시예 1에서 원료로 도시 고형 폐기물 슬래그만을 사용하여 1.35의 Si/Al 원자비를 갖도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 지오폴리머 시편을 제조하였다.

폐촉매 슬래그의 결정상 분석

실시예에서 사용된 도시 고형 폐기물 슬래그 및 폐촉매 슬래그 원료에 대하여 결정상 분석(X-ray diffraction(XRD), Rigaku MiniFlex2)을 수행한 후 그 결과를 도 1에 나타내었다. 분석 조건은 40㎸, 40㎃, CuKα radiation으로 하였다.

도 1을 참조하면, 도시 고형 폐기물 슬래그(a) 및 폐촉매 슬래그(b) 모두 20~40° 부근에서 헤일로 패턴(halo pattern)이 나타난 것으로부터 비정질 상인 것을 확인할 수 있다.

지오폴리머의 압축강도

실시예 1 내지 6에 따라 제조된 지오폴리머 시편에 대하여 압축강도(UTM, UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea, 장치 헤드 스피드=5㎝/min)를 측정하고 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2를 참조하면, 지오폴리머의 압축강도는 Si/Al 원자비가 높아짐에 따라 증가하다가 0.99~1.14 범위에서 최대값을 나타낸 것을 확인할 수 있다. 그러나 그 이상으로 Si/Al 원자비가 높아지면 압축강도는 다시 감소하는 것을 알 수 있다.

또한 재령일에 따라 압축강도 값이 큰 차이를 보인 것을 확인할 수 있다. 1일 또는 7일간 상온에서 재령된 시편은 압축강도가 유사하였으나 28일간 재령된 시편은 1일 또는 7일간 재령된 시편에 비해 매우 높은 압축강도를 나타낸 것을 알 수 있으며, 특히 Si/Al 원자비가 0.99~1.14 범위에서 강도 증진효과가 가장 높은 것을 확인할 수 있다.

지오폴리머의 미세구조 분석

실시예 1 내지 6에 따라 제조된 지오폴리머 시편에 대하여 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscopy, S-4800, HITACHI, Japan)으로 파단면을 관찰한 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3을 참조하면, Si/Al 원자비가 0.7인 지오폴리머에서는 큰 기공이 관찰되었고, Si/Al 원자비가 그 이상으로 증가할수록 기공과 균열이 감소하면서, 0.99~1.14 범위에서는 구조가 매우 치밀해진 것을 확인할 수 있다. 그러나 Si/Al 원자비가 그 이상으로 증가하면 다시 지오폴리머의 구조는 균열과 기공이 나타났다.

이러한 미세구조 관찰 결과는 지오폴리머의 압축강도와 관계가 높다. 가장 높은 압축강도를 나타낸 지오폴리머의 Si/Al 원자비 범위는 0.99~1.14 범위였는데, 이 범위에서의 지오폴리머 강도가 가장 높았기 때문이다.

결론적으로 지오폴리머의 압축강도가 높은 경우는 Si/Al 원자비가 최적 범위일 때였으며, 최고 압축강도를 나타낸 Si/Al 원자비 0.99~1.14 범위에서는 미세구조가 가장 치밀하였으므로 압축강도가 극적으로 향상된 것은 명확하다 할 것이다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

(a) 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 포함하는 도시 고형 폐기물 슬래그(municipal solid waste slag; MSWS), 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃) 및 칼시아(CaO)를 포함하는 폐촉매 슬래그(waste catalyst slag; WCS) 및 알칼리 활성화제 용액을 혼합하는 단계;
(b) 상기 혼합된 혼합물을 경화하는 단계; 및
(c) 상기 경화된 경화물을 재령하는 단계;
를 포함하되, 상기 (a) 단계에서 상기 도시 고형 폐기물 슬래그 및 상기 폐촉매 슬래그는 8:2~6:4의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 지오폴리머는 Si/Al 원자비가 0.99~1.14인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 알칼리 활성화제 용액은 농도가 5~25M인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 혼합물의 액상/고상 중량비는 0.05~0.25인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 경화는 40~90℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 재령은 1~30일간 수행되는 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 지오폴리머는 압축강도가 150㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 지오폴리머 제조방법.