KR102184380B1

KR102184380B1 - 용융 슬래그를 이용한 지오폴리머 블록 조성물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102184380B1
Application number: KR1020180073996A
Authority: KR
Inventors: 전동환; 정우현; 김문현; 권인구; 손승희; 김유택; 박기범
Original assignee: 고등기술연구원연구조합; 한국서부발전(주); 경기대학교 산학협력단; 피티케이(주)
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-11-30
Also published as: KR20200001255A

Abstract

본 발명은, 용융 슬래그 및 발포제를 혼합하여 지오폴리머 원료를 생성하는 단계; 상기 지오폴리머 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계; 및 상기 지오폴리머 페이스트를 성형하여 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계는, 상기 지오폴리머 페이스트를 성형틀의 부피의 40 내지 70% 충진하는 단계; 및 상기 성형틀에 충진된 상기 지오폴리머 페이스트에서 생성된 기체를 상기 성형틀에 형성된 개구부를 통해 배출시키는 단계를 포함하는, 지오폴리머 블록 제조방법을 제공한다.

Description

용융 슬래그를 이용한 지오폴리머 블록 조성물 및 이의 제조방법{GEOPOLYMER BLOCK COMPOSITION USING MOLTEN SLAG AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 지오폴리머 블록 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄가스화복합발전(IGCC)의 운전과정에서 생성되는 용융 슬래그를 이용하여 ALC 블록 보다 우수한 압축강도, 단열성, 그리고 경량성을 갖는 경량 지오폴리머 블록 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)은 기존의 화력발전소에서 사용되는 석탄을 이용하면서도 화력발전에 비해 발전효율이 높고 배출가스에 함유된 오염물질이 고효율로 제거된 후 배출되기 때문에 환경오염 최소화가 가능한 발전기술이다. 국내의 경우 300 MW급 발전설비가 설치 완료되어 운전중에 있으며, 현재 IGCC 2호기 구축을 위한 논의가 진행되고 있고 향후 환경오염 문제 해결을 위해 기존의 화력발전 대체 설비 구축의 일환으로 지속적인 IGCC 설비 구축이 이루어질 것으로 예상되고 있다. IGCC 설비 운전과정에서는 석탄가스화 반응이 고온/고압조건으로 운전되기 때문에 원료로 사용되는 석탄에 함유된 회분 및 금속성분이 용융되어 슬래그로 배출된다. 현재 국내의 경우 석탄가스화복합발전 설비 운전시 생성된 용융 슬래그의 처리 기술이 전무한 실정이기 때문에 전량 매립 처리하고 있다. 따라서 폐기물 처리를 위한 매립지가 필요하므로 폐기물 처리를 위한 매립지 확보 및 환경오염 문제가 발생하므로 이를 재활용하기 위한 기술이 필요한 실정이다.

한편, 현재 건축용 자재로 판매되고 있는 ALC 블록은 무기질 소재를 이용하여 제조되므로 불에 타지 않는 내화성을 갖으며, 내부에 70 %정도의 기공이 형성되어 있기 때문에 단열 성능이 우수하고 일반 콘크리트 무게보다 0.25배 정도 낮은 장점이 있다. 사용되는 원료 및 제조방법으로는 규석 또는 규사와 같은 규산질 재료와 생석회, 시멘트, 무수석고, 그리고 발포제를 원료로 사용되며, 이들을 일정비율로 공급한 후 타설하고 사전양생, 절단, 그리고 오토클레이브(Autoclave) 양생과정 등의 순서를 거처 제조된다. 이때 제조과정의 하나인 오토클레이브 양생과정은 180℃, 10 기압조건에서 10~12시간 동안 진행되는 고온고압 증기양생 방법이다. 이 공정에서는 고온/고압 반응기가 사용되므로 설비 크기에 따라 제품 크기에 제한이 있고 운전비용이 많이 들며, 설비 운전에 많은 주의가 필요하기 때문에 제품 가격이 고가인 단점이 있다.

본 발명은 석탄가스화 용융슬래그와 구성 성분이 유사한 폐기물 용융슬래그 및 고로 슬래그를 원료로 사용하여 지오폴리머 페이스트(Geopolymer Paste)를 제조한 후 단열기능을 갖으면서도 일정 수준 이상의 압축 강도를 갖은 건축용 불연 단열재를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명에서는 제조 공정시 운전 압력이 상압이고 건조 운전 온도가 70~90℃로 낮아 제품 생산비를 절감할 수 있고 시멘트를 대체할 수 있는 건축 자재를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 용융 슬래그 및 발포제를 혼합하여 지오폴리머 원료를 생성하는 단계; 상기 지오폴리머 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계; 및 상기 지오폴리머 페이스트를 성형하여 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계는, 상기 지오폴리머 페이스트를 성형틀의 부피의 40 내지 70% 충진하는 단계; 및 상기 성형틀에 충진된 상기 지오폴리머 페이스트에서 생성된 기체를 상기 성형틀에 형성된 개구부를 통해 배출시키는 단계를 포함하는, 지오폴리머 블록 제조방법을 제공한다.

상기 발포제는 상기 지오폴리머 원료를 기준으로 0.10 내지 0.50 중량%을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 발포제는 폐실리콘 슬러지 분말을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제 대 물유리의 중량비가 1:1인 것이 바람직하다.

상기 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계는, 상기 지오폴리머 페이스트에 액상 시료 내 물 함유량/고상 중량비가 20 내지 30 중량%가 되도록 물을 공급한 후 고르게 반죽하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 지오폴리머 원료를 생성하는 단계 이전에 상기 용융 슬래그의 평균 입자 크기는 80 ~ 120 ㎛가 되도록 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계는, 상기 지오폴리머 페이스트가 충진된 상기 성형틀을 70 내지 90℃로 운전되는 건조기에서 24시간 동안 고온 건조하는 단계; 및 상기 고온 건조된 성형틀을 상온 조건에서 3일 동안 상온 양생하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예는 상기 지오폴리머 블록 조성물의 제조방법에 의해 생성된 지오폴리머 블록 조성물을 제공한다.

Hydroxycancrinite(Na₈Al₆Si₆O₂₄(OH, CO₃)₂·2H₂O)를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예는 지오폴리머 블록 조성물을 포함하는 지오폴리머 블록을 제공한다.

본 발명에 따른 지오폴리머 블록 조성물의 제조방법에 의할 때, IGCC 플랜트에서 배출되어 폐기해야 하는 IGCC 용융슬래그, 폐기물 용융슬래그, 그리고 고로 슬래그 등을 건축자재 제조 원료로의 사용이 가능하므로 환경 보호의 효과가 있다.

또한, 현재 ALC 블록 제조 원료로 사용되는 시멘트를 대체할 수 있고 폐기물을 제품 생산에 사용하기 때문에 환경보호 및 원가를 절감할 수 있다.

또한, 기존 ALC 공정의 경우에는 고온(180℃)/고압(10 bar) 반응 운전이 필요하지만 본 발명에서는 운전 압력이 상압이고 건조 운전 온도는 70~90℃로 낮기 때문에 제품 생산비 절감이 가능한 장점이 있다.

또한, 성형과 동시에 가열 및 건조 공정이 가능하여 제조 시간을 단축시키고 성형 형태 제어가 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 지오폴리머 블록의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2(a) 또는 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그의 XRD(X-ray Diffraction) 및 XRF 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형틀 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형틀에서 성형된 성형체 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 지오폴리머 성형체의 기공 분포 형상 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지오폴리머 페이스트의 충진량에 따른 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지오폴리머 페이스트의 충진량에 따른 비중 측정 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 및 단어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 발명의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 후술하는 실시예에서 사용된 용어는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 지오폴리머 블록의 제조 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2(a) 또는 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그의 XRD(X-ray Diffraction) 및 XRF 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형틀 사진이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형틀에서 성형된 성형체 사진이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 지오폴리머 성형체의 기공 분포 형상 사진이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지오폴리머 페이스트의 충진량에 따른 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지오폴리머 페이스트의 충진량에 따른 비중 측정 결과를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 지오폴리머 블록을 제조하기 위해 먼저 용융 슬래그를 세척 및 건조한다. 상기 용융 슬래그는 철강 제조공정에서 철의 원료인 철광석 등으로부터 철을 분리하고 남은 암석성분을 지칭하며, 예를 들어, 철광석, 코크스, 석회석 등을 고로(용광로)에서 용융 시 약 1500℃ 이상의 쇳물과 함께 광물성분이 용해되어 발생된 것을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 상기 용융 슬래그는 석탄가스화복합발전에서 배출된 것을 지칭할 수 있다. 석탄화력발전설비에서 배출되는 플라이 애쉬(fly ash)를 포함하는 대부분의 석탄회는 결정상을 이루고 있지만, 석탄가스화복합발전에서 배출되는 용융슬래그는 비정질 형태를 가지고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 석탄가스화복합발전에서 배출되는 용융 슬래그는 실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 하며, 산화나트륨(Na₂O), 산화칼슘(CaO), 산화철(Fe₂O₃), 산화마그네슘(MgO) 등이 소량 포함될 수 있다.

한편, 지오폴리머(Geopolymer)는 Al-Si가 주 성분인 광물에 NaOH 또는 KOH와 같은 알칼리 활성화제를 혼합할 경우 화학적 반응이 일어나 중합체인 Si-O-Al-O 결합이 이루어지는 특성이 있으며, 알칼리 활성화제 농도 및 첨가제 혼합, 그리고 제조 공정에 따라 결합재의 물성과 재료적 특성이 다르기 때문에 이를 적절히 제어하면 원하는 용도 및 기능을 갖는 제품 제조가 가능하다. 상기 용융 슬래그의 경우에는 주성분이 Si과 Al이다. 따라서 Si와 Al이 주성분인 용융 슬래그에 알칼리 활성화제와 혼합하는 과정을 통해서 지오폴리머 페이스트 제조가 가능하다.

따라서, 본 발명에서는 석탄가스화 복합발전에서 배출되는 비정질 형태의 용용 슬래그를 활용하여 후술하는 제조방법에 의해 ALC블록 보다 우수한 압축강도, 단열성, 그리고 경량성을 갖는 경량 지오폴리머 블록을 제조하고자 한다.

상기 용융 슬래그를 세척수로 세척한 후, 용융 슬래그 내 수분이 10 % 이내가 되도록 건조 공정(S100)을 수행한다. 이때, 상기 용융 슬래그 내 수분 함량이 10%를 초과하는 경우 성형 특성이 저하되고, 후술하는 지오폴리머 블록을 생성하는 단계에서 지오폴리머 원료와 복합 활성화제 혼합용액의 비율 제어가 어려울 수 있다.

상기 건조 공정이 수행된 용융 슬래그에 분쇄 공정(S200)을 수행할 수 있다. 상기 용융 슬래그 시료의 초기 형상은 형태가 불균일하여, 이후 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계에서 복합 활성화제 혼합용액과 균일한 혼합이 어려울 수 있다. 따라서, 상기 복합 활성화제 혼합용액과의 반응성을 향상시키고 후술하는 지오폴리머 페이스트 생성 단계에서 지오폴리머 원료와 상기 복합 활성화제 혼합용액의 성분비율을 용이하게 제어하기 위해 상기 용융 슬래그의 평균 입자 크기는 80 ~ 120 ㎛ 범위가 되도록 분쇄할 수 있다. 상기 용융 슬래그의 평균 지름이 80 ㎛ 미만인 경우 이후 상기 용융 슬래그의 반죽이 어려울 수 있고, 120 ㎛ 초과인 경우 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계에서 복합 활성화제 혼합용액과 균일한 혼합이 어려울 수 있고, 제조된 지오폴리머 반응 진행속도 저하 및 최종 조성물의 압축강도가 열악해질 수 있다.

다음으로, 상기 분쇄가 완료된 미립자 형태의 용융 슬래그에 발포제를 혼합하여 지오폴리머 원료를 생성(S300)할 수 있다. 상기 발포제는 지오폴리머의 다공성 형성을 향상시키기 위한 것으로, 예를 들어, 폐실리콘 슬러지(Si-sludge) 분말을 포함할 수 있다. 상기 폐실리콘 슬러지는 다양한 실리콘 산업 중 실리콘을 웨이퍼 형태로 절삭 또는 연마하는 과정에서 발생하는 것으로, 연간 21,000톤 이상 발생하여 이들 슬러지의 재활용 기술이 요구되는 상황이므로, 상기 폐실리콘 슬러지를 발포제로 사용하여 폐기물 재활용 효과를 기대할 수 있다. 한편, 상기 폐실리콘 슬러지는 미량의 알루미나만을 포함하는 불순물이 거의 없는 실리카를 적용할 수 있다.

본 발명의 제조 방법에 따라 제조될 지오폴리머 블록은 발포제에 의한 기공 형상을 작고 균일하게 유지하면서도 ALC 블록에서 요구되는 압축강도, 단열 성능 그리고 비중이 일정 수준으로 유지되도록 제어가 필요하다. 즉, 일정수준의 압축강도 및 단열 성능을 갖은 경량 지오폴리머 블록 제조를 위해서는 기공이 고르게 분포되어야 한다. 기공 분포가 불균일할 경우에는 블록의 압축강도가 저하되거나 단열이 고르게 이루어지지 않게 되며, 이로 인해서 제품 품질 균일화가 불가능하게 된다. 따라서 지오폴리머 블록 내부의 기공형상 제어는 매우 중요하다.

지오폴리머 블록 제조 공정에서 발포제를 이용한 내부 기공형성은 하기 화학식 1에 나타낸 바와 같이 화학 반응에 의한 수소 기체 생성에 의한 것이며, 지오폴리머 페이스트 제조 후 약 40분 동안 수소 생성이 연속적으로 이루어진다. 상기 폐실리콘 슬러지 발포제는 하기 화학식 1에 나타낸 반응을 통해 수소 기체를 생성함으로써 다기공이 형성된 지오폴리머 블록을 제조할 수 있다.

[화학식 1]

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ +2H₂

즉, 발포제로 사용한 Si 성분과 NaOH의 반응으로 수소 기체가 발생하여 기공이 생성되므로, 상기 발포제가 일정 함량 이상으로 포함되는 경우 지오폴리머의 기계적 강도가 저하되어 지오폴리머 조성물의 내구성이 열악해지는 문제가 있다. 따라서, 상기 발포제는 지오폴리머 원료를 기준으로 0.10 내지 0.50 중량%로 포함될 수 있다.

이후, 상기 지오폴리머 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 지오폴리머 페이스트를 생성(S400)할 수 있다. 상기 복합 활성화제 혼합용액은 석탄가스화복합발전(IGCC)의 운전과정에서 생성되는 용융 슬래그를 원료로 하는 지오폴리머 생성 반응을 유도할 수 있다.

지오폴리머의 중합과정은 고알칼리 상태에서 Al-Si 광물에 화학적 반응이 일어나서 중합체인 Si-O-Al-O 결합이 이루어지며, 알칼리 활성화제 농도 및 제조 공정에 따라 결합재의 물성과 재료적 특성이 달라질 수 있다. 이러한 지오폴리머 반응 특성을 응용하여 지오폴리머 블록을 제조하기 위해서는 적정량의 알칼리 활성화제 공급, 우수처리 기능 향상을 위한 첨가제 공급, 성형 최적 조건을 갖기 위한 고형물과 수분 비율 제어가 필요하다.

이때, 상기 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제 및 규소화합물을 포함할 수 있다. 석탄가스화복합발전(IGCC)의 운전과정에서 생성되는 용융 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 높은 경우, 알칼리 활성화제가 상기 용융 슬래그의 반응물질 분해를 촉진시켜 높은 강도를 갖는 지오폴리머를 제조할 수 있고, 그 결과 제조된 지오폴리머 조성물의 내구성을 향상시킬 수 있다.

상기 알칼리 활성화제로서 상기 용융 슬래그와 반응(포졸란 반응)하여 수경성을 갖는 실리케이트나 알루미네이트 등의 성분을 생성하도록 하는 수용성 알칼리수산화물이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 증류수에 수산화나트륨(NaOH)이 혼합된 용액으로 농도 10~15M의 알칼리 활성화제 용액이 사용될 수 있다. 상기 알칼리 활성화제 용액은 상온에서 증류수에 수산화나트륨을 적정 농도로 혼합하여 준비할 수 있다.

상기 규소화합물은 상기 복합 활성화제 혼합용액으로부터 상기 지오폴리머 원료로 규소가 공급 가능한 것으로, 규소원소를 포함하는 수소화물, 산화물, 실록산, 실록센, 할로겐화물, 붕소화물, 탄화물, 질화물, 금속산화물 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 규소화합물은 물유리(Sodium Silicate, Na₂SiO₃)를 포함할 수 있다. 상기 물유리는 하기 화학식 2에 나타낸 반응과 같이, 상기 지오폴리머 원료에서 용출되는 Si 이외에도 추가적인 Si 공급이 가능하게 한다. 따라서, 상기 물유리의 첨가로 지오폴리머 블록의 압축강도를 향상시키면서 작업성이 크게 저하되지 않도록 제어가 가능하다. 또한, 상기 물유리는 상기 물유리의 가수분해 반응으로 인한 OH- 기의 증가로 알칼리도가 상승하여 Si⁴ ⁺, Al³ ⁺ 이온의 용출 정도를 더욱 향상시킴으로써, 제조된 지오폴리머 블록의 내구성을 향상시킬 수 있다.

[화학식 2]

Na₂O·nSiO₂ + (2n+1)H₂O → 2NaOH + nSi(OH)₄

이때, 상기 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제 대 물유리의 중량비가 1:1인 것이 바람직하다. 상기 물유리 함량이 증가할수록 제조된 지오폴리머 조성물의 압축강도가 향상될 수 있으나, 상기 물 유리 함량이 75 중량%를 초과하는 경우 작업성이 저하되어 이후 지오폴리머 성형체를 원활하게 제조할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 또한 물유리 함량이 지나치게 높은 경우 제조된 지오폴리머 페이스트의 결정성이 낮아지게 되어 제조된 지오폴리머 조성물의 내구성이 열악해질 수 있다.

상기 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계에서, 상기 지오폴리머 페이스트의 액상 시료 내 물 함유량/고상 중량비를 제어하여 반응 이온을 증가시켜 반응 효율을 향상시키는 동시에 성형성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 지오폴리머 원료에 알칼리 활성제 및 물유리를 혼합할 때, 상기 복합 활성화제 혼합용액 내 물 함유량(액상)/지오폴리머 원료(고상)의 중량비는 20 내지 30 중량%가 되도록 물을 공급하여 고르게 혼합 또는 반죽을 할 수 있다. 상기 액상/고상 중량비가 20 중량% 미만인 경우, 이후 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계에서 지오폴리머 페이스트의 유동성이 저하되어 성형틀 내부에 고르게 분포되지 않게 되며, 30 중량% 초과인 경우 잉여 반응액이 여과재를 통과하여 성형틀 외부로 배출될 수 있다.

다음으로, 지오폴리머 성형체를 생성 공정(S500)을 수행하기 위해, 상기 지오폴리머 페이스트의 액상/고상 중량비로 제어하고 반죽 공정을 수행한 후, 이를 성형틀에 충진한다. 발포제에 의해 기체 생성과정에서 지오폴리머 페이스트가 부풀어 오르므로, 지오폴리머 페이스트를 성형틀 부피의 약 40 내지 70% 충진한다. 이때, 상기 발포체에 의해 생성된 수소 기체를 고르게 분포시킴과 동시에 기체 체류 및 편류에 의해 거대 기공 또는 불규칙한 기공이 형성되지 않도록 하기 위해서 성형틀은 기체 배출이 고르게 배출되도록 구성되어야 한다. 즉, 성형틀은 발포제에 의해 생성된 수소 기체를 지오폴리머 블록 내부에 균일한 기공 형상을 목적으로 성형틀에 수소 기체 배출구를 구성하여야 한다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 성형틀(10)은 건축자재 용도에 따라 다양한 형태일 수 있으며, 예컨대, 육면체 형태일 경우, 육면체의 각 면(11)에는 다수의 개구부(12)가 형성되어 지오폴리머 블록에서 배출되는 기체가 육방향(상/하, 좌/우, 앞/뒤)으로 고르게 분산 배출되도록 할 수 있다. 성형틀(10)의 각 육면체 내벽에는 섬유재질의 부착물, 예컨대 부직포(13) 등의 덮개가 마련되어 성형틀 내부에서 부풀어 오르는 지오폴리머 페이스트가 누출되지 않고 다져질 수 있도록 한다. 부직포(13)는 일회성으로 사용되어 성형이 완료된 후 제거될 수 있고, 암울 또는 미네랄울과 같은 세라믹 재질을 사용하는 경우 최종 제품에 포함될 수 있다.

지오폴리머 페이스트를 성형틀에 충진 한 후, 70 내지 90℃로 운전되는 건조기에서 24시간 동안 고온 건조를 수행하며, 그 다음 상온 조건에서 상온 양생을 약 3일간 진행한다.

상기와 같은 제조 방법을 거쳐 성형된 지오폴리머 성형체 즉, 지오폴리머 블록(14)은 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 기공 형상이 작고 균일하게 유지되어, 건축용 불연 단열재인 ALC 블록에서 요구되는 압축강도, 단열 성능 그리고 일정 수준의 비중을 유지할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 지오폴리머 블록 조성물은 전술한 제조방법에 의해 제조될 수 있다.

이때, 상기 지오폴리머 조성물은 Hydroxycancrinite(Na₈Al₆Si₆O₂₄(OH, CO₃)₂·2H₂O)를 포함할 수 있다. 상기 Hydroxycancrinite는 전술한 지오폴리머 형성 과정에서 생성될 수 있으며, 결정질을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 석탄가스화 복합발전에서 배출되는 용용 슬래그는 비정질 형태인 것으로, 지오폴리머 형성 공정을 수행한 결과 결정질인 상기 Hydroxycancrinite 가 생성됨으로써, 제조된 다공성 지오폴리머 조성물의 내구성이 향상될 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시예 1: 지오폴리머 페이스트 충진량에 따른 압축강도 및 비중의 변화 측정

제조예 1

가스화 석탄 슬래그를 세척수로 세척한 후, 용융 슬래그 내 수분이 10 % 이내가 되도록 건조 공정을 수행하였다. 이후, 상기 건조 공정이 수행된 용융 슬래그는 평균 80 내지 120 ㎛의 크기가 되도록 분쇄 공정을 수행하였다.

그 다음, 분쇄된 미립자 형태의 용융 슬래그에 발포제로서 실리콘 슬러지를 공급하되, 실리콘 슬러지는 0.10 내지 0.50 중량%가 포함되도록 제어하였다.

이때, 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제(NaOH 수용액 10~15 mol) 및 물유리(SiO₂ 28.4%, Na₂O 9.4%)를 혼합하여 제조하되, 상기 알칼리 활성화제와 물유리는 1:1 비율이 되도록 공급한 다음, 액상/고상(W/S) 비율이 20 내지 30 중량%가 되도록 추가로 물을 공급한 후 고르게 반죽하였다.

그 다음, 반죽된 지오폴리머 페이스트를 성형틀의 부피에 30%, 65%, 80% 충진하고, 70~90℃의 건조기에서 24시간 고온 건조한 후 상온에서 3일 동안 상온 양생하였다.

실험예 1

상기 실시예 1에 따라, 성형틀에 지오폴리머 페이스트 충진량에 따른 압축강도 측정 결과를 도 6에 나타내었다.

이때, 상기 압축강도는 universal testing machine(UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 5 cm/min의 헤드 속도로 3~5개 시편을 측정하여 평균값으로 나타내었다.

도 6를 참조하면, 지오폴리머 페이스트 충진량이 30%인 경우보다 지오폴리머 페이스트 충진량이 80%인 경우 압축강도가 두배 이상 높게 나타났다. 즉, 지오폴리머 페이스트 충진량이 30%인 경우 압축 강도는 약 6.5 MPa이고, 충진량이 65%인 경우 압축 강도는 약 8.5 MPa이고, 충진량이 80%인 경우는 압축 강도는 약 13 MPa이다.

한편, 상기 실시예 1에 따라, 지오폴리머 페이스트 충진량에 따른 비중 측정 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7를 참조하면, 지오폴리머 페이스트 충진량이 30% 또는 60%인 경우 비중(겉보기 밀도)은 약 0.7g/cm³이나, 지오폴리머 페이스트 충진량이 80%인 경우 비중은 약 0.8g/cm³이다.

본 발명의 지오폴리머 블록의 경우 압축강도가 7 MPa 이상이고, 비중은 0.7g/cm3인 것을 동시에 만족해야 하므로, 지오폴리머 페이스트 충진량은 30 내지 70인 것이 바람직한 것으로 확인할 수 있다.

Claims

용융 슬래그 및 발포제를 혼합하여 지오폴리머 원료를 생성하는 단계;
상기 지오폴리머 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계; 및
상기 지오폴리머 페이스트를 성형하여 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 지오폴리머 성형체를 생성하는 단계는,
상기 지오폴리머 페이스트를 성형틀의 부피의 40 내지 70% 충진하는 단계;
상기 지오폴리머 페이스트가 충진된 상기 성형틀을 70 내지 90℃로 운전되는 건조기에서 24시간 동안 고온 건조하는 단계; 및
상기 고온 건조된 성형틀을 상온 조건에서 3일 동안 상온 양생하는 단계; 및
상기 성형틀에 충진된 상기 지오폴리머 페이스트에서 생성된 기체를 상기 성형틀에 형성된 개구부를 통해 배출시키는 단계를 포함하며,
상기 발포제는 상기 지오폴리머 원료를 기준으로 0.10 내지 0.50 중량%로 포함하며,
상기 발포제는 폐실리콘 슬러지 분말을 포함하며,
상기 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제 대 물유리의 중량비가 1:1이며,
상기 지오폴리머 페이스트를 생성하는 단계는,
상기 지오폴리머 페이스트에 액상 시료 내 물 함유량/고상 중량비가 20 내지 30 중량%가 되도록 물을 공급한 후 고르게 반죽하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 지오폴리머 원료를 생성하는 단계 이전에 상기 용융 슬래그의 평균 입자 크기는 80 ~ 120 ㎛가 되도록 분쇄하는 단계를 더 포함하며,
상기 성형틀의 내벽에는 섬유재질의 부착물 덮개가 마련되어 상기 성형틀 내부에서 부풀어 오르는 지오폴리머 페이스트가 누출되지 않고 다져지는, 지오폴리머 블록 조성물의 제조방법.
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청구항 1에 따른 지오폴리머 블록 조성물의 제조방법에 의해 생성된, 지오폴리머 블록 조성물.
청구항 8에 있어서,
Hydroxycancrinite(Na₈Al₆Si₆O₂₄(OH, CO₃)₂·2H₂O)를 포함하는, 지오폴리머 블록 조성물.
청구항 8에 따른 지오폴리머 블록 조성물을 포함하는, 지오폴리머 블록.