KR102627082B1 - 탄산화 양생을 위한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제와 그 제조방법, 그리고 그 혼화제를 이용한 모르타르 제품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소 소모를 위한 탄산화 양생 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소의 흡수 향상을 통해 탄산화 양생에 우수한 효과를 발휘하면서 모르타르의 강도 발현에도 유리한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제와 그 혼화제의 바람직한 제조방법, 그리고 그 혼화제를 바람직하게 이용한 모르타르 제품에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는, 시멘트계 재료의 양생에 혼입되는 것으로, 반응자극제와 카본흡수제를 포함하되, 반응자극제는 아세트산나트륨 수용액에, 약산, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액이 혼합되어 건조 분쇄된 것이며, 카본흡수제는 티오시안나트륨과 아민기를 가지는 CO2흡수촉진제가 혼합 분쇄된 것임을 특징으로 한다. 여기서 약산은 구연산, 붕사, 주석산 중 하나 이상을 선택하고, CO2흡수촉진제는 멜라민을 선택할 수 있다. 이러한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는, 아세트산나트륨 수용액을 40~50℃ 범위에서 가열 교반을 유지하는 단계; 구연산을 투입하는 단계; 수산화나트륨 수용액을 투입한 후 0~8℃ 범위에서 냉각하여 침전물을 형성하는 단계; 냉각상태에서 카본흡수제를 투입 교반하는 단계; 건조하고 분쇄하는 단계;를 통해 바람직하게 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는, 시멘트계 재료의 양생에 혼입되는 것으로, 반응자극제와 카본흡수제를 포함하되, 반응자극제는 아세트산나트륨 수용액에, 약산, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액이 혼합되어 건조 분쇄된 것이며, 카본흡수제는 티오시안나트륨과 아민기를 가지는 CO2흡수촉진제가 혼합 분쇄된 것임을 특징으로 한다. 여기서 약산은 구연산, 붕사, 주석산 중 하나 이상을 선택하고, CO2흡수촉진제는 멜라민을 선택할 수 있다. 이러한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는, 아세트산나트륨 수용액을 40~50℃ 범위에서 가열 교반을 유지하는 단계; 구연산을 투입하는 단계; 수산화나트륨 수용액을 투입한 후 0~8℃ 범위에서 냉각하여 침전물을 형성하는 단계; 냉각상태에서 카본흡수제를 투입 교반하는 단계; 건조하고 분쇄하는 단계;를 통해 바람직하게 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 이산화탄소 소모를 위한 탄산화 양생 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소의 흡수 향상을 통해 탄산화 양생에 우수한 효과를 발휘하면서 모르타르의 강도 발현에도 유리한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제와 그 혼화제의 바람직한 제조방법, 그리고 그 혼화제를 바람직하게 이용한 모르타르 제품에 관한 것이다.
우리나라는 전 세계에서 온실가스를 많이 배출하는 국가 중 하나이다. 특히 시멘트 제조산업은 우리나라 온실가스 배출의 상당 부분을 차지하는데, 1톤의 포틀랜드 시멘트의 제조시 석회석과 화석연료의 연소를 통한 소성공정에서 약 0.9톤의 이산화탄소를 배출한다. 국내에서는 시멘트 생산에 따른 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위한 노력이 다각도로 이루어지고 있으며, 시멘트 사용량을 저감하고 산업부산물인 플라이애시 및 고로슬래그 등의 혼화재료를 대체 사용하는 연구가 주를 이루고 있다. 최근에는 시멘트의 탄산화 반응을 이용하여 시멘트계 재료에 이산화탄소를 저장하는 방법으로 이산화탄소를 저감시키는 탄산화 양생과 관련한 연구도 활발한 추세이다.
시멘트계 재료는 물과 반응하는 수화반응을 통해 경화하며, 수화물로 C-S-H과 Ca(OH)2가 생성된다. 이때 생성된 Ca(OH)2는 이산화탄소(CO2)와 반응하여 CaCO3로 변환하는 탄산화 반응이 쉽게 진행되므로, 이러한 탄산화 반응을 이용하면 시멘트계 재료에 이산화탄소의 저장이 가능해진다. 더구나 변환된 CaCO3는 공극을 채워주고 조직을 치밀화하여 강도 향상에도 기여한다. 이러한 시멘트의 탄산화 반응을 능동적으로 이용한 것이 탄산화 양생 기술로, 포집된 이산화탄소를 시멘트계 재료의 양생과정에 소모하도록 한 것이다.
한편 PI(Polyimide)필름 제조공정, 실리콘 웨이퍼 제조공정, LCD패널 제조공정 등 다양한 공업공정에서는 아세트산나트륨을 함유한 공정부산물이 발생 배출되고 있다. 아세트산나트륨 함유 공정부산물은 보통 수용액 상태로서 일반적으로 정제되어 폐기물로 처리되어 왔는데, 이에 따라 폐기물 처리 관련 경제적, 환경적 비용이 증가하는 실정이다.
본 발명은 시멘트계 재료의 탄산화 양생 기술로 새롭게 개발된 것으로, 혼화제 형태로 간편하게 모르타르에 혼입하여 사용할 수 있으면서 이산화탄소의 흡수와 모르타르의 강도 발현에 우수한 효과를 발휘하는 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제와 그 혼화제의 바람직한 제조방법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.
또한 본 발명은 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제를 바람직하게 이용하여 제조한 모르타르 제품을 제공하고자 한다.
더불어 본 발명은 공업공정에서 폐기물로 처리되는 아세트산나트륨 함유 공정부산물의 재활용 방안을 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 시멘트계 재료의 양생에 혼입되는 것으로, 반응자극제와 카본흡수제를 포함하되, 반응자극제는 아세트산나트륨 수용액에, 약산, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액이 혼합되어 건조 분쇄된 것이며, 카본흡수제는 티오시안나트륨과 아민기를 가지는 CO2흡수촉진제가 혼합 분쇄된 것임을 특징으로 탄산화 양생을 위한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제를 제공한다. 여기서 약산은 구연산, 붕사, 주석산 중 하나 이상을 선택하고, CO2흡수촉진제는 멜라민을 선택할 수 있다.
또한 본 발명은 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제의 제조방법으로, 아세트산나트륨 수용액을 40~50℃ 범위에서 가열 교반을 유지하는 단계; 구연산을 투입하는 단계; 수산화나트륨 수용액을 투입한 후 0~8℃ 범위에서 냉각하여 침전물을 형성하는 단계; 냉각상태에서 카본흡수제를 투입 교반하는 단계; 건조하고 분쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제의 제조방법을 제공하다.
나아가 본 발명은, 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제가 결합재에 1~5중량% 치환 혼입된 모르타르 배합으로 성형된 후 이산화탄소가 주입되면서 양생되어 제조되는 것을 특징으로 모르타르 제품을 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 본 발명의 혼화제는 모르타르에 혼입될 때 이산화탄소의 흡수를 향상시키면서 강도 증진에 기여하므로, 탄산화 양생에 유리하게 적용할 수 있다. 특히 탄산화 양생은 배출되는 이산화탄소를 소모할 수 있는 방식이기 때문에, 온실가스 저감에 통한 환경 문제 해결에 기여한다.
둘째, 본 발명의 혼화제는 원재료로 공업공정에서 폐기물로 처리되는 아세트산나트륨 함유 공정부산물을 활용할 수 있기 때문에, 폐자원의 재활용을 통한 경제성, 친환경성 창출에 기여할 수 있다.
본 발명은 모르타르에 혼입될 때 이산화탄소를 소모하여 탄산화 양생을 이끌기 위한 재료로서, 혼화제 타입으로 간편하게 적용할 수 있는 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는, 반응자극제와 카본흡수제를 포함하여 구성된다.
본 발명에서 반응자극제는 아세트산나트륨 수용액에, 약산, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액이 혼합되어 건조 분쇄된 것으로, 약산성 조건과 강알칼리 조건을 동시에 제공하여 탄산화 양생과 모르타르의 강도 확보에 기여한다.
반응자극제에서 아세트산나트륨 수용액과 약산은 아세트산의 약산성 조건을 형성하여 모르타르 중 Ca2+ 이온의 용출을 촉진하는 역할을 한다. 아세트산나트륨 수용액은 CH3COO- 이온과 Na+ 이온으로 해리된 상태가 됨으로써 약산이 첨가되면 구연산 중의 H+ 이온화로 인해 CH3COOH(아세트산)로 형성되면서 아세트산의 약산성 조건을 형성하게 되는 것이다. 아세트산나트륨 수용액은 공업공정에서 발생 배출되는 아세트산나트륨 함유 공정부산물에서 유해물질이 제거된 수용액을 이용할 수 있다. 약산으로는 구연산, 붕사, 주석산 중 하나 이상 선택할 수 있으며, 다만 경제성을 고려한다면 구연산이 바람직하다. 구연산을 사용한다면 아세트산나트륨 고형분 100 중량부에 대하여 구연산 0.3~0.8중량부가 바람직하며, 0.3중량부 미만이면 CH3COO- 이온의 CH3COOH 형성화가 미흡하게 되고, 0.8중량부 초과하면 과도한 약산 잔존으로 모르타르 특성 저하에 영향이 있다.
반응자극제에서 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액은 강알칼리 조건을 제공하여 모르타르의 강도 유지 및 향상에 기여한다. 수산화나트륨 또는 수산화칼륨은 수용액 상태로 사용되는데, 아세트산나트륨 수용액 및 구연산과 원활하게 교반하기 위함이다. 경제성을 고려하면 수산화나트륨 수용액이 바람직하며, 수산화나트륨 수용액은 사용성을 감안할 때 30~35중량% 농도가 바람직하다. 30~35중량% 농도의 수산화나트륨 수용액은 아세트산나트륨 고형분 100중량부에 대하여 40~50중량부 포함하는 것이 바람직한데, 40중량부 미만이면 모르타르의 알칼리 유지 특성이 낮아져 모르타르 성능 저하에 영향을 미치고 50중량부 초과하면 반응자극제의 제조과정에서 수산화나트륨이 분말상태 잔존하게 되면서 반응자극제의 균질한 형태 확보에 어려움이 있다.
카본흡수제는 티오시안나트륨에 아민기(-NH2)를 포함하는 CO2흡수촉진제가 혼합 분쇄된 것으로, 티오시안나트륨에 의한 모르타르 강도 증진과 CO2흡수촉진제에 의한 모르타르 내부로의 CO2 흡수, 흡착 향상에 기여한다. CO2흡수촉진제는 멜라민을 바람직하게 사용할 수 있으며, 이 경우 티오시안나트륨 100중량부에 멜라민 3~6중량부로 혼합 분쇄하면서 분쇄공정 중 분쇄압착열에너지에 의해 플레이크 형태로 바람직하게 제조할 수 있다. 통상 시멘트계 재료에서 멜라민은 유동화제(유동성 향상)로 사용되고 티오시안나트륨은 장기적인 반응 지속에 의한 강도발현 효과를 위해 사용되는데, 본 발명에서는 반응이 빠른 멜라민을 반응이 느린 티오시안나트륨과 분쇄압착 처리하여 카본흡수제로 제조함으로써 멜라민의 반응을 지연시키면서 멜라민에 의한 CO2 흡착을 서서히 지속시킬 수 있게 된다. 이와 같은 카본흡수제는 반응자극제 중 아세트산나트륨 고형분 100중량부 대하여, 0.5~2.0중량부 사용하는 것이 바람직하다. 0.5중량부 미만이면 CO2흡수성능 부족으로 탄산화 반응이 부족하게 되며, 2.0중량부 초과하면 멜라민 과량으로 인한 강도성능 저하 문제가 우려된다.
위와 같은 재료들로 구성된 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제의 바람직한 제조방법을 살펴본다. 먼저 아세트산나트륨 수용액을 40~50℃ 범위에서 가열 교반을 유지한다. 이어 구연산을 투입하는데, 구연산은 아세트산나트륨 고형분 100중량부에 대하여 0.3~0.8중량부를 투입한다. 구연산의 투입으로 아세트산나트륨 수용액은 CH3COO- 이온과 Na+ 이온으로 해리된 상태에서 구연산 중 H+ 이온화로 CH3COOH(아세트산)으로 형성된 상태가 된다. 계속해서 수산화나트륨을 30~35중량%의 수용액으로 준비하고, 아세트산나트륨 고형분 100중량부에 대하여 수산화나트륨 수용액 40~50중량부를 투입한 후 0~8℃ 범위에서 냉각하여 침전물을 형성한다. 저온분위기에서 급냉하여 완전냉각을 통해 침전물을 형성하는 것이다. 마지막으로 냉각상태에서 카본흡수제를 투입 교반한 후, 건조하고 분쇄한다. 카본흡수제는 저온 냉각상태에서 투입하게 되는데, 이는 수용액 상태에서 용해되거나 약산에 의해 영향받는 것을 최소화하기 위함이다. 건조는 진공건조로 진행하면 냉각상태를 유지하면서 수분을 효과적으로 제거할 수 있다. 이와 같은 과정을 통해 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제를 제조할 수 있다.
이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는 모르타르 제품 제조에 바람직하게 이용할 수 있다. 모르타트 제품 제조에서 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제를 모르타르 배합에 혼입하여 성형하고, 양생과정에 CO2를 주입하면서 제조하는 것이다. 이때 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는 모르타르 배합에서 결합재에 1~5중량% 치환하는 방식으로 혼입할 수 있다.
이하에서는 제조예 및 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 제조예 및 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제의 제조
아래 [표 1]과 조합으로 재료를 준비하여 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제를 제조하였다.
| 구분 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | 비교예5 | 비교예6 | 실시예 |
| 아세트산나트륨 | X | O | O | O | O | O | O |
| 구연산 | X | X | O | O | X | O | O |
| 수산화나트륨 | X | O | X | O | O | X | O |
| 카본흡수제 | X | O | O | X | X | X | O |
| # 아세트산나트륨:수용액, 고형분 15~25wt%, 순도 50~60%, 비중 1.02~1.04, pH 5~6 # 구연산: 무수화물, 백색/무색의 결정분말, 순도 99% 이상, 건조감량 1~4%, 중금속함량 10ppm 이하 # 수산화나트륨: 수용액, 농도 33~35%, 강알칼리 # 카본흡수제: 멜라민(순도 96%이상, 가비중 0.5~0.8, pH 9~11): 티오시안나트륨(비중 1.74g/cm3, 용해도(20℃ H2O) 1,200g/L, pH(25℃ H2O, 10% solution) 6~8)을 0.035:1.0중량비로 혼합 분쇄 압착하여 플레이크 형태로 제조 |
|||||||
이산화탄소 흡수 반응형 혼화제는, 아세트산나트륨 수용액을 40~50℃ 범위내에 가열 교반 유지하고, 구연산을 아세트산나트륨 고형분 100중량부 대하여 0.45중량부 투입하고, NaOH 수용액을 아세트산나트륨 고형분 100중량부 대비 43중량부 투입한 후 5℃ 내외의 저온분위기에서 급냉하여 완전냉각을 통해 침전물을 형성하고, 냉각상태에서 카본흡수제를 아세트산나트륨 고형분 100중량부 대비 0.87중량부 투입하고, 교반 후 진공건조를 통해 수분을 제거하고 분쇄하는 과정을 통해 제조하였다. 비교예와 실시예는 모두 동일한 조건에서 동일한 방법으로 재료 사용여부만을 달리하면서 제조하였다.
[시험예] 모르타르 특성 평가
제조예에서 제조한 혼화제를 결합재 대비 2.5중량%로 치환 혼입한 모르타르에 대하여 특성 평가를 실시하였다. 특성 평가를 위해 모르타르 적용 KS L ISO 679 (시멘트 시험방법 강도 측정) 규격에 의거하여 모르타르 시험을 실시하였으며, 특히 모르타르 시험체 성형 후 1일차부터 탄산화반응 영향 비교를 위해 CO2가 주입된 항온항습기에 시험체를 거치하여 탄산화반응 경과에 따른 유동성(flow), 압축강도, 탄산화깊이를 비교 평가하였다. 평가 결과 아래 [표 2]와 같은 결과를 나타냈다.
| 구분 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | 비교예5 | 비교예6 | 실시예 | |
| 유동성(flow) | 245 | 235 | 250 | 235 | 245 | 255 | 255 | |
| 압축강도 (MPa) |
3d | 38.4 | 27.1 | 19 | 18.7 | 32.9 | 11.1 | 36.6 |
| 7d | 54.1 | 46 | 37.4 | 34.9 | 46.4 | 26.4 | 52.5 | |
| 28d | 69.4 | 58.1 | 54.1 | 52.8 | 57.2 | 47.9 | 72.7 | |
| 탄산화 깊이 (mm) |
14d | 5.20 | 14.72 | 17.43 | 7.54 | 5.94 | 7.02 | 20.23 |
| 28d | 7.47 | 16.54 | 19.24 | 9.72 | 8.52 | 9.50 | 22.74 | |
위의 [표 2]에서와 같이 본 발명에 따른 혼화제가 적용된 실시예는 일부 재료들이 생략된 비교예와 비교할 때, 유동성, 압축강도, 탄산화 깊이 모두에서 동등 이상의 우수한 성능을 나타냈다. 특히 실시예는 압축강도에서 초기강도는 물론 장기강도(28d)에서 향상된 압축강도 성능 발현이 확인되었고, 탄산화 깊이에서도 CO2 흡수 침투에 의한 탄산화가 더 진행되는 결과가 확인되었다. 이와 같은 결과에 따라 본 발명의 혼화제는 CO2 흡수 향상을 통한 효과가 나타난 것으로 볼 수 있다.
Claims (5)
- 시멘트계 재료의 탄산화 양생을 위해 혼입되는 것으로,
반응자극제와 카본흡수제를 포함하되,
상기 반응자극제는, 아세트산나트륨 수용액에, 약산, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액이 혼합되어 건조 분쇄된 것이며,
상기 카본흡수제는, 티오시안나트륨과 아민기를 가지는 CO2흡수촉진제가 혼합 분쇄된 것임을 특징으로 하는 탄산화 양생을 위한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제. - 제1항에서,
상기 약산은, 구연산, 붕사, 주석산 중 하나 이상이며
상기 CO2흡수촉진제는, 멜라민인 것을 특징으로 하는 탄산화 양생을 위한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제. - 제2항에서,
상기 반응자극제는, 아세트산나트륨 고형분 함량이 15~25중량%인 아세트산나트륨 수용액, 구연산, 30~35중량% 농도의 수산화나트륨 수용액으로 마련되어, 아세트산나트륨 고형분 100중량부 대하여 0.3~0.8 중량부의 구연산과 40~50중량부의 수산화나트륨 수용액이 혼합되어 건조 분쇄된 것이며,
상기 카본흡수제는, 티오시안나트륨 100중량부에 멜라민 3~6중량부가 혼합되어 분쇄 압착된 것으로, 아세트산나트륨 고형분 100중량부 대하여 0.5~2.0중량부로 마련되는 것을 특징으로 하는 탄산화 양생을 위한 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제. - 제3항에 따른 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제의 제조방법으로,
아세트산나트륨 수용액을 40~50℃ 범위에서 가열 교반을 유지하는 단계;
구연산을 투입하는 단계;
수산화나트륨 수용액을 투입한 후 0~8℃ 범위에서 냉각하여 침전물을 형성하는 단계;
냉각상태에서 카본흡수제를 투입 교반하는 단계;
건조하고 분쇄하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제의 제조방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 이산화탄소 흡수 반응형 혼화제를 이용한 모르타르 제품으로,
이산화탄소 흡수 반응형 혼화제가 시멘트계 결합재에 1~5중량% 치환 혼입된 모르타르 배합으로 성형되고, CO2가 주입되면서 양생되어 제조되는 것을 특징으로 하는 모르타르 제품.
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