KR20150120714A - 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

이산화탄소를 이용하여 시멘트를 제조하는 방법 및 장치가 개시된다. 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법은, 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하는 단계와, 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하는 단계와, 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 시멘트를 생성하는 단계를 포함한다. 따라서, 종래의 시멘트 제조 과정에서 발생하는 이산화탄소를 억제함과 동시에, 이산화탄소를 이용하여 시멘트를 제조함으로써 이산화탄소를 재활용할 수 있다.

Description

이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING CEMENT USING CARBON DIOXIDE}
본 발명은 시멘트 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 이용하여 시멘트를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
전 세계적으로 CO2를 줄이는 것은 인류생존의 선택문제가 아니라 필수적인 문제로 부각되고 있다. CO2문제를 해결하는 방법으로는 CO2 발생억제, 삭감 및 고정화 기술 개발이 있으나 산업성장과 인간 삶의 질을 저해하지 않는 방법으로는 CO2 고정화 연구개발이 가장 중요한 과제이다.
현재 지구 온난화의 주요 원인인 CO2 포집 및 저장의 기술은 이미 활발히 연구가 진행되고 있다. 하지만 포집된 CO2의 처리에 있어서 현재까지 알려진 방법은 지중저장, 해양저장, 식림에 의한 저장 등이 있으나 경제성 및 안정성 문제로 현재 기술적 한계에 직면해 있다.
또한 최근에는 탄산화 반응을 이용하여 CO2와 알칼리토 금속 이온을 반응시켜 CO2를 안정한 탄산염으로 고정화하는 방법이 CO2 저감을 위한 대안으로 떠오르고 있지만 CO2 대량 저감 및 경제성 문제 해결 관점에서의 연구가 절실히 요청되고 있다.
특히, 지구온난화와 관련하여 온실가스 배출량을 보면, 전 세계적으로 시멘트 산업의 이산화탄소 배출량이 총 배출량의 5%에 해당하고, 우리나라의 경우 온실가스 배출량이 3,900만톤(산업부문 총배출량의 18.9%, 2004년 기준)으로 전체 배출량의8% 정도를 차지하고 있다.
또한 에너지 소비량은 3,878천TOE(Tonnage of Oil Equivalent)로서 제조업부문 총 배출량의 4.8%(2004년 기준)를 차지하고 있다.
이와 같이 시멘트 산업은 철강 및 석유화학산업과 함께 우리나라의 대표적인 에너지 다소비 산업에 해당된다. 에너지 다소비 산업에 대한 그 동안의 지속적인 에너지 절약정책 추진결과 에너지 다소비산업의 에너지 효율은 높은 수준에 이루고 있으나 이러한 노력에도 불구하고 향후 우리나라가 유엔기후변화협약(UNFCCC)에 의한 온실가스 감축의무를 이행해야 할 것으로 예상된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 이산화탄소를 이용하여 시멘트를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 이산화탄소를 이용하여 제조된 시멘트를 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 이산화탄소를 이용하여 시멘트를 제조하는 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법은, 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하는 단계와, 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하는 단계와, 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 시멘트를 생성하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 탄산칼슘은, 탄산화 반응의 환경에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite) 중 어느 하나의 결정 형태를 가질 수 있다.
여기에서, 상기 탄산칼슘(CaCO2)을 생성하는 단계는, 탄산화 반응에 따른 핵생성(nucleation) 속도를 조절하여 칼사이트를 생성할 수 있다.
여기에서, 수산화나트륨, 규산나트륨, 규산칼륨, 탄산나트륨 및 황산나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 알칼리 활성제를 이용하여 시멘트를 경화시킬 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하여 제조한 시멘트는, 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하고, 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)를 생성하며, 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 생성된다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치는, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액을 수용하는 반응 수조와, 반응 수조를 밀폐하는 수조 밀폐부와, 수산화칼슘 수용액이 수용된 반응 수조에 이산화탄소(CO2)를 주입하는 기체 주입부와, 반응 수조 내부의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하되, 수산화칼슘 수용액과 이산화탄소 간에 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하고, 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄산칼슘에 졸-겔법이 적용하여 시멘트가 생성한다.
상기와 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법 및 장치는, 종래의 시멘트 제조 과정에서 발생하는 이산화탄소를 억제함과 동시에, 이산화탄소를 이용하여 시멘트를 제조함으로써 이산화탄소를 재활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 생성된 시멘트는 물리적 및 화학적으로 안정적인 특성을 가지며, 치밀하게 구성되어 높은 압축강도를 가질 수 있다.
또한, 알칼리 활성제를 이용한 경화 방법으로 기존 시멘트가 물을 이용한 수화반응으로 경화할 때 발생하는 건조수축, 수화열 및 남은 잉여수로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 탄산칼슘을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법은, 크게 탄산칼슘(CaCO3)를 생성하는 단계(S100)와, 합성된 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 시멘트를 생성하는 단계(S200)를 포함한다.
먼저, 재활용 이산화탄소를 이용하여 탄산칼슘을 생성할 수 있다(S100). 이산화탄소를 이용하여 탄산칼슘을 생성하는 원리를 설명하면 다음과 같다.
Ca(OH)2 현탁액에 CO2가스를 반응시켜 탄산칼슘 분말을 침전시키는 탄산화 반응(carbonation reaction)은 기-액-고체의 3상을 포함하는 불균일(heterogeneous) 반응이다.
Ca(OH)2는 물에 대한 한정된 용해도를 가지고 있으며, 반응은 용해된 CO2와 OH 사이에서 일어날 수 있다. Ca(OH)2의 탄산화 반응은 다음의 단계에 의해 수행될 수 있다.
(a) Ca(OH)2(s) → Ca2+(aq) + 2OH-(aq)
(b) CO2(g) → CO2(aq)
(c) CO2(aq) + OH-(aq) → HCO3 -(aq)
(d) HCO3 -(aq) + OH-(aq) ? H2O + CO3 2-(aq)
(e) Ca2+(aq) + CO3 2-(aq) → CaCO3(s)
수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성할 수 있다. 수산화칼슘은 물에 한정된 용해도를 가지고, 온도에 따라 PH 12~13 정도의 강알칼리성을 나타내며, 수산화칼슘 수용액에 CO2가스를 주입하면 탄산화 반응이 일어나서 침강성 탄산칼슘의 침전이 생길 수 있다.
상세하게는, (d) 단계 및 (e) 단계는 순간적인 반응으로 반응속도가 빠르기 때문에 전체 반응의 속도를 결정하는 단계는 Ca(OH)2의 용해반응인 (a) 단계 또는 CO2가스의 물에 대한 용해반응인 (b) 단계일 수 있다.
특히, CO2가스에서 기체-액체 계면으로의 이동에 있어 기체경막저항(gas side resistance)은 반응속도를 결정하는 데 있어 매우 중요하다.
본 발명의 실시예에 따른 탄산화 반응인 (a) 단계 내지 (e) 단계를 정리하면, 다음의 (f)와 같이 나타낼 수 있다.
(f) Ca(OH)2 : Ca2+(aq) + 2OH-(aq) + CO2(g) => CaCO3(s) + H2O
(f) 단계를 참조하면, 수산화칼슘 수용액은 주입된 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)과 기타 물질(H2O)로 분해될 수 있다. 이러한 탄산화 반응에 기반하여 이산화탄소를 대량으로 고정화할 수 있고, 반응 생성물을 사용하여 시멘트를 제조함으로써 지구 온난화의 주범인 이산화탄소의 고정화할 수 있다.
탄산칼슘은 자연계에서 안정한 칼사이트(Calcite)와 준 안정상인 아라고나이트(Aragonite), 바테라이트(Vaterite)의 세가지 동질이상(polymorphism)이 존재하며, 상온에서 안정한 칼사이트는 입방형 또는 방추형이고, 준 안전상인 아라고나이트는 주상 또는 침상형이며, 바테라이트는 구형인 것이 많다. 여기서, 아라고나이트는 -198.15? 이하에서 안정하기 때문에 상온 이상에서의 합성은 매우 어렵다.
따라서, 탄산칼슘은 탄산화 반응의 환경에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite) 중 어느 하나의 결정 형태를 가질 수 있다. 특히, 탄산칼슘(CaCO2)를 생성하는 단계는 탄산화 반응에 따른 핵생성(nucleation) 속도를 조절하여 칼사이트를 생성할 수 있다. 특히, 시멘트의 제조를 위해서는 입방형 또는 방추형을 띠는 안정한 칼사이트를 이용한다.
다음으로, 생성된 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 시멘트를 생성할 수 있다(S200). 즉, 시멘트 광물의 주요 성분이 SiO2, Al2O3, CaO인 점과 입자 크기를 고려하여 합성에 필요한 주재료로 Silica와 Sodium aluminate, Sodium hydroxide를 이용할 수 있다. 예컨대, 반응성이 큰 aluminosilicate gel로부터 수열 합성하는 방법으로 Silics-Source으로는 CO2와 Ca(OH)2의 탄산화 합성으로 제조된 CaCO3를 사용하여 시멘트를 제조할 수 있다.
마지막으로, 수산화나트륨, 규산나트륨, 규산칼륨, 탄산나트륨 및 황산나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 알칼리 활성제를 이용하여 생성된 시멘트를 경화시킬 수 있다.
상세하게는, 본 발명의 실시예에 의해 생성되는 시멘트는 SiO2, Al2O3 등을 주요 성분으로 하는 것으로써, 화학적으로 안정한 상태를 가진 결정형 규산 알루미늄염(Alumino-Silicate)으로 일정한 크기의 미세기공과 규칙적인 배열을 가진다.
본 발명의 실시예에 의해 생성된 시멘트는 이러한 실리카-알루미나 Glassy Chain이 견고하여 반응이 일어나기 위해서는 이 결합을 분해하여 내부의 반응 물질을 노출시켜야 한다.
따라서 실리카-알루미나 결합을 분해하기 위해 강알칼리성 물질을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 고형화 반응을 위하여 가장 중요한 요소로 알칼리 활성제를 사용할 수 있다. 예를 들어, 수산화나트륨, 규산나트륨, 규산칼륨, 탄산나트륨 및 황산나트륨와 같은 알칼리 활성제를 사용하여 시멘트를 경화 또는 고화시킬 수 있다.
한편 이러한 경화 방법은 기존 시멘트가 물을 이용한 수화반응으로 경화할 때 발생하는 건조수축, 수화열 및 남은 잉여수로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 탄산칼슘을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하여, 재활용 이산화탄소를 이용하여 탄산칼슘을 생성하는 방법을 보다 상세하게 설명한다.
수산화칼슘을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하고(S110), 생성된 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소를 주입하여 탄산화 반응을 일으킬 수 있다(120).
탄산화 반응에 의해 생성되는 탄산칼슘의 결정 형태는 탄산화 반응이 일어나는 환경의 온도, 이산화탄소의 주입 속도 및 PH 등에 의해 결정될 수 있다. 즉, 탄산칼슘은 결정 형태에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite)로 구분될 수 있다.
따라서, 온도 및 가스(이산화탄소) 주입 속도를 조절하는 것이 필요하다(S130).
수산화칼슘 수용액에 주입된 이산화탄소에 의한 탄산화 반응으로 생성된 탄산칼슘이 침전되면 건조를 수행하여 탄산칼슘을 추출할 수 있다(S140).
상술한 탄산칼슘 생성을 위해 수행한 실험은 다음과 같다.
Ca(OH)2 포화수용액은 pH10~13 강알칼리성 물질이기에 스틸과 부식을 견디기 위한 테프론 재질로 제작된 반응 용기에 수용하였다.
Ca(OH)2 포화수용액에 주입되는 CO2는 기체상태이기 때문에 유량을 조절할 수 있는 기체 유량계를 설치하여 주입되는 이산화탄소를 일정한 양으로 제어하고, 반응에 따른 pH 변화를 파악하기 위해 pH측정기를 사용하여 반응 전부터 진행 중의 상태와 반응 후의 pH를 측정하였다.
용매와 이산화탄소 가스를 수열 합성하는 동안 반응 중의 온도를 상온(21도)으로 일정하게 유지하기 위한 항온시스템과 용매인 강알칼리 포화용액과 이산화탄소의 활발한 반응을 위해 주입관의 입구에 기포 사이즈 축소 Bubbler를 설치하였다.
습식 탄산화 실험 과정에서 기타 이온의 간섭을 차단하기 위하여 3차 증류수를 이용하였으며, 1 l 용량의 비이커에 증류수 500g과 Ca(OH)2 0.865g을 혼합하여 교반속도(200 rpm, 450rpm)와 CO2주입량(0.3l/min, 0.5 l/min)을 달리하여 총 네 가지 조건으로 각각 20분간 반응시켰다.
반응하는 동안 CO2가스의 분산효율 및 체류시간을 증진시키기 위하여 파라필름으로 비이커 상부를 밀폐시켰으며, 반응시간 동안 1분 간격으로 pH를 측정하여 반응성 변화를 관찰하였다.
반응 전과 진행되는 동안, 반응 후의 pH 측정을 위해 pH meter를 사용하여 Ca(OH)2 포화수용액의 반응상황을 연속적으로 측정하였고, 반응이 끝난 후 미세저울을 이용하여 포화수용액의 중량을 측정하였다.
아스피레이터(Aspirator)와 미세거름종이를 사용하여 수용액상태의 침전물을 1차 분리하였고, 여분의 수분상태가 남아있을 침전물을 동결 건조기(Freeze Dryer)을 사용하여 2차 분리하였다.
분리된 침전물은 건조기와 챔버를 사용하여 100?에서 24시간 이상 수분을 건조하였다. 그 후 분리된 고체를 건조하여 열중량(TG-DTA) 분석과 XRD, 주사전자현미경(FE-SEM)/EDS 분석을 실시하였다.
칼사이트를 생성하기 위한 영역을 설명하면 다음과 같다.
높은 Ca2+ 이온 농도와 낮은 CO3 2- 이온 농도로 높은 상태의 핵생성(nucleation) 속도를 유도하기 위해 1.5M의 Ca(OH)2 slurry에 질산을 첨가하여 완전히 용해시킨 용액에 1.5M의 Na2CO3를 3ml/min의 속도로 첨가하여 반응을 진행시켰다. 또한 낮은 Ca2+ 이온 농도와 높은 CO3 2- 이온 농도로 높은 상태의 핵생성속도를 유도하기 위해 1.5M의 Ca(OH)2 slurry에 1.5M Na2CO3를 일괄 첨가하여 반응을 진행시켰으며 반응 종료 후 생성된 침전물의 XRD 패턴 및 SEM 분석을 수행하였다.
생성된 침전물에 대한 XRD 분석 결과를 살펴보면, 높은 Ca2+ 이온 농도와 낮은 CO3 2- 이온 농도의 경우 대부분 결정 형태가 칼사이트인 침강성 탄산칼슘 peak가 관찰되었고 그 외에 아라고나이트인 침강성 탄산칼슘 peak가 혼재되어 있었다.
낮은 Ca2+ 이온 농도와 높은 CO3 2- 이온 농도의 경우에도 마찬가지로 대부분이 결정 형태가 칼사이트인 침강성 탄산칼슘이 생성되었으며, 아라고나이트인 침강성 탄산칼슘이 약간 혼재되어 있었다.
그러나 이 반응의 경우는 높은 Ca2+이온과 낮은 CO3 2- 이온 반응에서와 달리 미반응 Ca(OH)2가 잔존하였다. 이는 두 경우 모두 같은 시간 동안 반응시켰음에도 불구하고 slurry 상태의 Ca(OH)2가 전부 반응에 참여하지 못했음을 말해준다.
따라서 탄산칼슘의 생성속도보다 Ca(OH)2의 용해속도가 느리며 Ca(OH)2의 용해 반응이 전체 반응의 율속 단계임을 알 수 있다.
또한, 주로 칼사이트인 침강성 탄산칼슘이 생성되는 것은 충분히 반응속도가 빠를 것으로 생각되며 이는 충분한 CO3 2- 이온에 대해 Ca2+ 이온이 충분히 빠른 속도로 공급된다는 것을 의미한다.
이 결과로부터 Ca2+ 이온이 충분히 빠른 속도로 공급될 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 반응속도를 늦추기 위해서는 Ca(OH)2의 용해도를 더 낮추거나 CO3 2-이온의 농도를 조절할 필요가 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 생성되는 이산화탄소를 이용하여 제조한 시멘트는, 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하고, 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)를 생성하며, 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 생성된 시멘트의 성질은 다음과 같다.
시멘트는 평균입경은 1.4㎛으로 일반적인 포틀랜드 시멘트의 입경보다 작거나 거의 비슷한 수준이며, 비중과 비표면적이 각각 2.23, 68,500 cm2/g로 측정되었으며, 보통 포틀랜드 시멘트의 3.15, 3,112cm2/g와 비교하여 비표면적이 285배 증가한 것으로 나타내었다.
따라서, 시멘트의 입자가 작아져 비표면적이 증가하여 골재 주위에 수화 또는 경화 생성물이 더 많이 생성될 것이고, 공극의 크기도 작아져 전체적으로 치밀하게 구성되어 압축강도 및 역학적 특성의 향상을 가질 수 있다.
즉, 시멘트는 입자의 최대 및 최소크기의 치수 차이가 작아져 입경이 균등하게 일정함을 알 수 있다. 이로 인하여 시멘트는 입자가 작아져 일반 포틀랜드 시멘트에 비해 약 22배 이상 비표면적이 증가하여 골재 주위에 수화 또는 경화 생성물이 더 많이 생성될 것이고, 공극의 크기도 작아져, 공극률이 작아지면서 전체적으로 치밀하게 구성되어 압축강도 및 역학적 특성의 향상을 가지고 올 것이라고 판단된다.
시멘트의 화학성분 비율을 살펴보면, SiO2, Al2O3, CaO 순으로 그 함량이 많으며, 일반 포틀랜드 시멘트의 화학성분에 비하여 CaO성분이 극히 적은 것으로 나타났다. 즉, 화학성분 비율을 살펴 볼 때, SiO2, Al2O3의 반응성 산화물이 주를 이루고 있으며, 이는 포졸란 활성에 기여하는 성분으로 알려져 있다.
또한 제조된 분말의 성분들은 알칼리 활성제 사용과 고온 양생으로 Al-Si 중합반응이 발생하여 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 강도를 발현시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치(300)는, 반응 수조(310), 수조 밀폐부(320), 기체 주입부(330) 및 온도 조절부(340)를 포함하여 구성된다.
반응 수조(310)는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액을 수용할 수 있다. 수산화칼슘 수용액은 pH10~13 강알칼리성 물질이기에 반응 수조(310)의 내부는 스틸과 부식을 견디기 위한 테프론 재질로 구성될 수 있다.
수조 밀폐부(320)는 반응 수조(310)와 결합하여 반응 수조(310)를 밀폐할 수 있다. 즉, 반응 수조(310)에 수용되는 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소가 주입되어야 하기 때문에 반응 수조(310)는 밀폐되어야 한다.
기체 주입부(330)를 통하여 수산화칼슘 수용액이 수용된 반응 수조(310)에 이산화탄소를 주입할 수 있다. 예컨대, 기체 주입부(330)는 액체 CO2 통(360)과 연결되어 이산화탄소를 공급받을 수 있다.
따라서, 수산화칼슘 수용액과 이산화탄소 간에 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)를 생성하고, 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄산칼슘에 졸-겔법이 적용하여 시멘트가 생성할 수 있다.
여기서, 탄산화 반응에 의해 생성되는 탄산칼슘은 탄산화 반응의 환경에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite) 중 어느 하나의 결정 형태를 가질 수 있으며, 특히, 핵생성(nucleation) 속도를 조절하여 칼사이트를 생성시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시멘트 제조 장치(310)는 시멘트 광물의 주요 성분이 SiO2, Al2O3, CaO인 점과 입자 크기를 고려하여 합성에 필요한 주재료로 Silica와 Sodium aluminate, Sodium hydroxide를 이용할 수 있다. 예컨대, 반응성이 큰 aluminosilicate gel로부터 수열 합성하는 방법으로 Silics-Source으로는 CO2와 Ca(OH)2의 탄산화 합성으로 제조된 CaCO3를 사용하여 시멘트를 제조할 수 있다.
온도 조절부(340)는 반응 수조(310) 내부의 온도를 조절할 수 있다. 즉, 수산화칼슘 수용액과 이산화탄소 가스는 수열 합성 반응이 일어나며, 이러한 반응 중의 온도를 상온(21?)으로 일정하게 유지시키는 것이 필요하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시멘트 제조 장치(300)는 반응 중의 PH를 측정하기 위한 PH 측정기(350)를 더 구비할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예에 따른 시멘트 제조 장치(300)에 의해 생성되는 시멘트는 SiO2, Al2O3 등을 주요 성분으로 하는 것으로써, 화학적으로 안정한 상태를 가진 결정형 규산 알루미늄염(Alumino-Silicate)으로 일정한 크기의 미세기공과 규칙적인 배열을 가진다.
따라서 실리카-알루미나 결합을 분해하기 위해 강알칼리성 물질을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 고형화 반응을 위하여 가장 중요한 요소로 알칼리 활성제를 사용할 수 있다. 예를 들어, 수산화나트륨, 규산나트륨, 규산칼륨, 탄산나트륨 및 황산나트륨와 같은 알칼리 활성제를 사용하여 시멘트를 경화 또는 고화시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법 및 장치는, 종래의 시멘트 제조 과정에서 발생하는 이산화탄소를 억제함과 동시에, 이산화탄소를 이용하여 시멘트를 제조함으로써 이산화탄소를 재활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 생성된 시멘트는 물리적 및 화학적으로 안정적인 특성을 가지며, 치밀하게 구성되어 높은 압축강도를 가질 수 있다.
또한, 알칼리 활성제를 이용한 경화 방법으로 기존 시멘트가 물을 이용한 수화반응으로 경화할 때 발생하는 건조수축, 수화열 및 남은 잉여수로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
300: 시멘트 제조 장치 310: 반응 수조
320: 수조 밀폐부 330: 기체 주입부
340: 온도 조절부 350: PH 측정기
360: 액체 CO2 통

Claims (12)

  1. 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하는 단계;
    상기 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하는 단계; 및
    산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 상기 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 시멘트를 생성하는 단계를 포함하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄산칼슘은,
    탄산화 반응의 환경에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite) 중 어느 하나의 결정 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 탄산칼슘(CaCO2)을 생성하는 단계는,
    탄산화 반응에 따른 핵생성(nucleation) 속도를 조절하여 상기 칼사이트를 생성하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    수산화나트륨, 규산나트륨, 규산칼륨, 탄산나트륨 및 황산나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 알칼리 활성제를 이용하여 상기 시멘트를 경화시키는 단계를 더 포함하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법.
  5. 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하고,
    상기 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하며,
    산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 상기 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 생성되는, 이산화탄소를 이용하여 제조한 시멘트.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 탄산칼슘은,
    탄산화 반응의 환경에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite) 중 어느 하나의 결정 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용하여 제조한 시멘트.
  7. 청구항 6에 있어서,
    탄산화 반응에 따른 핵생성(nucleation) 속도를 조절하여 상기 칼사이트를 생성하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용하여 제조한 시멘트.
  8. 청구항 5에 있어서,
    수산화나트륨, 규산나트륨, 규산칼륨, 탄산나트륨 및 황산나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 알칼리 활성제를 이용하여 경화되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용하여 제조한 시멘트.
  9. 시멘트 제조를 위한 장치에 있어서,
    수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액을 수용하는 반응 수조;
    상기 반응 수조를 밀폐하는 수조 밀폐부;
    상기 수산화칼슘 수용액이 수용된 상기 반응 수조에 이산화탄소(CO2)를 주입하는 기체 주입부; 및
    상기 반응 수조 내부의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하되,
    상기 수산화칼슘 수용액과 상기 이산화탄소 간에 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하고,
    산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 상기 탄산칼슘에 졸-겔법이 적용하여 시멘트가 생성하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 탄산칼슘은,
    탄산화 반응의 환경에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 및 바테라이트(vaterite) 중 어느 하나의 결정 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    탄산화 반응에 따른 핵생성(nucleation) 속도를 조절하여 상기 칼사이트를 생성하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 시멘트는,
    수산화나트륨, 규산나트륨, 규산칼륨, 탄산나트륨 및 황산나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 알칼리 활성제를 이용하여 경화되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 장치.
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