KR101139439B1

KR101139439B1 - 선탄경석 및 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법

Info

Publication number: KR101139439B1
Application number: KR1020100036082A
Authority: KR
Inventors: 송영준; 신강호
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2012-04-30
Also published as: KR20110116588A

Abstract

본 발명은 선탄경석 및 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법에 관한 것으로, (A) 선탄경석과 석회석을 혼합하고, 200㎛ 이하의 크기로 분쇄하여 분말로 만드는 단계; (B) 상기 분말을 성형하여 단광체를 제조하는 단계; (C) 상기 단광체를 가열하여 800~1000℃의 온도에서 연소시키는 단계; (D) 상기 연소된 단광체를 해쇄하여 분말로 만드는 단계; (E) 상기 분말을 물과 혼합하여 성형체를 제조하는 단계; 및 (F) 상기 성형체에 강도가 부여되도록 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법이 개시되어 있다. .

Description

선탄경석 및 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법{Method for producing a Geopolymer Conglomerates from Coal Preparation Refuse and Limestone}

본 발명은 지오폴리머 다공체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 선탄경석 및 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법에 관한 것이다.

석탄의 선별과정에서 배출되는 선탄경석(選炭硬石)은 종래 벽돌이나 내화물, 시멘트 등의 부원료로서 소결체를 제조할 때에 혼합하여 사용되어 왔으나 그 사용량이 미흡하여 아직 대량의 선탄경석이 석탄광산 지역에 적치되어 있으며 환경오염을 유발하고 있는바, 이를 활용할 새로운 방법이 요구되고 있는 실정이다.

이러한 선탄경석의 활용처를 제한하는 요인 중 하나는 선탄경석에 잔류하는 탄질물이다. 이는 소성과정에서 에너지를 절감하여 주는 효과가 있지만, 반대로 연소가 되어야 하는 이유로 분쇄가 필수적으로 행해져야 하고 경석의 사용처를 점토벽돌 등과 같은 세라믹 다공체로 제한시키기도 한다.

그런데, 최근 연구에 의하면 선탄경석을 분쇄, 과립(pelletizing)하여 연소시키면 탄질물의 연소열만으로도 과립체의 소결이 가능하다고 밝혀졌다. 예를 들면, 대한민국 등록특허 제2009-0039493호에는 선탄경석으로 제조한 다공체를 착화시키면 자체 연소열로 소결까지 가능하다는 것이 개시되어 있다. 한편, 이러한 과립을 제조할 때 촉매, 흡착제 등의 기능성을 가진 물질을 혼합할 수 있다면 활용폭이 매우 넓어지겠지만, 소결과정이 고온에서 이루어지기 때문에 재료선택에 제한을 받는다는 문제점이 있었다.

본 발명의 발명자들은 이와 같은 문제점을 극복하고 선탄경석의 활용폭을 넓히기 위한 기초 연구로서, 선탄경석을 지오폴리머(geopolymer)의 원료로 활용하여 다공체를 제조하기 위한 제조방법과 제조조건 등을 예의연구하였다.

지오폴리머는 알루미노 규산염(aluminosilicate)의 조성을 갖는 물질이 알칼리물질과 반응하여 수경성을 나타내는 것을 이용하는 것으로서, 1970년대 후반부터 본격적으로 연구가 시작되어 현재는 시멘트를 대체 할 수 있는 재료로 부상하고 있다. 성분상으로는 장석(feldspar)과 비슷하지만 비정질이며 합성방법이 열경화성 수지와 비슷하여 지오폴리머(geopolymer)라고 불리운다.

지오폴리머를 제조하기 위해서는 원료물질과 활성제(activator)가 요구된다. 초기연구에서 반응물질로 사용된 것은 비표면적이 넓은 점토, 주로 메타카오린(Meta-kaolin)이었으나 이후 고로슬래그, 플라이에쉬, 연탄재 등으로 활용폭이 넓어졌다. 특히 플라이에쉬의 경우는 석탄이 연소되어 생성된 회분이 주성분이므로, 경석의 경우도 잔류하는 석탄분을 연소시키면 지오폴리머로서의 반응성을 기대할 수 있다는 것을 본 발명의 발명자들은 발견하여 본 발명에 이르게 된 것이다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 선탄경석을 원료물질로 하고 석회석을 활성체로 활용하여 경제적으로 지오폴리머 다공체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 선탄경석이 자체적으로 연소열을 발생시킬 수 있다는 점을 이용하여 선탄경석의 회분과 석회석의 하소물을 제조함으로써 경제적으로 지오폴리머 다공체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 선탄경석의 회분과 석회석의 하소물의 혼합분말을 물과 혼합하여 성형하는 매우 간단한 공정만으로도 지오폴리머 다공체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 중금속 처리제나 담체 등으로 사용하기에 충분한 강도를 가지는 지오폴리머 다공체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법은 (A) 선탄경석과 석회석을 혼합하고, 200㎛ 이하의 크기로 분쇄하여 분말로 만드는 단계; (B) 상기 분말을 성형하여 단광체를 제조하는 단계; (C) 상기 단광체를 가열하여 800~1000℃의 온도에서 연소시키는 단계; (D) 상기 연소된 단광체를 해쇄하여 분말로 만드는 단계; (E) 상기 분말을 물과 혼합하여 성형체를 제조하는 단계; 및 (F) 상기 성형체에 강도가 부여되도록 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (A)단계에서, 상기 석회석의 혼합비율은 전체의 5~30중량%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 석회석의 혼합비율은 전체의 15중량%인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(C)에서, 가열을 통해 선탄경석은 회분으로, 석회석은 생석회(CaO)로 바뀌는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(D)에서, 상기 분말의 입도가 100㎛이하가 되도록 해쇄하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(D)에서 또는 상기 단계(D) 후에, 상기 분말에 기능성 물질을 더욱 혼합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 기능성 물질은 촉매 또는 흡착제인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(E)에서, 상기 생석회(CaO)가 물과 반응하여 소석회(Ca(OH)₂)로 되고, 상기 소석회(Ca(OH)₂)는 상기 회분과 반응하여 지오폴리머를 생성시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(F)에서, 상기 성형체를 상온~200℃에서 양생하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(F)에서, 상기 성형체를 상온~200 ℃에서 1일간 양생한 후에, 침적하고 다시 양생하는 것을 3일 이상 반복하는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 지오폴리머 다공체의 제조방법은, 선탄경석과 석회석을 혼합하여 분쇄하고 단광한 후, 1000℃이하의 온도로 가열을 하여 선탄경석의 회분을 제조하고, 석회석을 하소시켜 생석회(CaO)를 제조한 후, 제조된 회분과 생석회(CaO)의 집합을 분쇄하여 분말화하면, 이 분말을 물과 혼합, 성형하는 것만으로 매우 간단하지만 효율적으로 지오폴리머를 생성시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 지오폴리머 다공체의 제조방법에 대하여 단계별로 상세히 설명하겠다.

(A) 선탄경석과 석회석을 혼합하고, 200㎛ 이하의 크기로 분쇄하여 분말로 만드는 단계;

선탄경석과 석회석을 혼합하고 약 200㎛ 이하의 크기로 분쇄하여 분말화하는 단계로서, 선탄경석이 잘 연소되도록 하고 이후 공정에 필요한 입도를 맞추기 위한 공정이다.

선탄경석과 석회석을 일정비율로 혼합하여 조쇄, 중쇄, 분쇄 등을 거쳐 입자크기를 약 200㎛이하로 한다. 이때, 석회석의 혼합비율은 전체에 대하여 5~30중량%인 것이 바람직하고, 전체에 대하여 15중량%인 것이 더욱 바람직하다. 석회석의 혼합비율이 상기 범위 내에 있는 경우 제조된 지오폴리머 다공체의 강도가 충분해진다. 또한, 분말의 입자의 크기가 상기 범위 내에 있는 경우, 분말을 다음 단계에서 효율적으로 사용할 수 있으며, 특히, 하기의 (C)연소단계에서 선탄경석이 충분히 연소될 수 있다.

(B) 상기 (A)단계에서 제조된 분말을 성형하여 단광체를 제조하는 단계

상기 (A)단계에서 제조한 분말을 가열할 수 있도록 단광(團鑛, briquetting)즉, 과립화하는 단계이다.

이 단계에서의 단광은 하기의 (C)단계에서 선탄경석에 포함된 탄질물을 연소시키기 용이하도록 선탄경석과 석회석의 분쇄물을 단광체로 만드는 단계이다. 단광하는 방법으로는 팬 타입의 과립기(disc(pan) type pelletizer), 드럼 타입의 과립기(drum type pelletizer), 믹서 타입의 과립기(mixer type pelletizer), 유동층 타입의 과립기(Fluidized bed type pelletizer), 압출성형기 등을 사용하는 방법이 사용될 수 있는데, 어느 방법을 사용하여도 가능하나 단광체 내부의 탄질물이 연소되고 석회석이 하소되도록 하기 위해서는 단광체의 크기가 30mm이하의 크기를 갖는 것이 좋다.

(C) 상기 (B)단계에서 제조된 단광체를 가열하여 800~1000℃의 온도에서 연소시키는 단계

상기 (B)단계에서 제조된 단광체를 가열하여 800~1000℃의 온도에서 연소시키는 단계로서, 이 단계는 단광체의 소결을 이루는 것이 아니라, 가열을 통해 선탄경석의 회분을 제조하고, 석회석을 하소시켜 생석회(CaO)로 제조하는 것이다.

본 발명의 연소단계는 선탄경석에 포함된 탄질물의 연소열을 이용하면 저에너지로 선탄경석의 회분과 석회석의 하소물의 제조가 가능하다. 연소로 내부의 온도는 800~1000℃로 유지하는 것이 바람직하고, 약 950℃로 유지하는 것이 더욱 바람직하다.

(D) 상기 (C)단계에서 연소된 단광체를 해쇄하여 분말을 만드는 단계

상기 (C)단계에서 연소된 단광체를 분쇄하여, 선탄경석 회분과 석회석 하소물의 혼합분말로 제조하는 단계로서, 상기 연소단계에서 단광체의 소결이 이루어지지 않았기 때문에 단광체의 강도가 매우 약하므로 분말로 쉽게 제조할 수 있다. 이때, 분말의 입도는 약 100㎛이하로 하는 것이 바람직하다. 분말의 입도를 100㎛이하로 하는 경우, 하기 단계(E)에서 물과의 반응성이 높아져 성형체의 제조가 효율적으로 이루어진다.

또한, 본 발명은, 이와 같은 분쇄단계에서 또는 이와 같은 분쇄단계 후에, 분말에 기능성 물질을 더욱 혼합할 수도 있다. 본 발명은 이와 같이 분말에 기능성 물질을 혼합함으로써 제조되는 지오폴리머 다공체에 기능성을 부여할 수 있다. 예를 들면, 분말에 촉매나 흡착제 등의 기능성 물질을 혼합함으로써, 제조되는 지오폴리머 다공체는 기능성 물질의 담체로 이용될 수 있다.

(E) 상기 (D)단계에서 제조된 분말을 물과 혼합하여 성형체를 제조하는 단계

상기 (D)단계에서 제조된 선탄경석 회분과 석회석 하소물의 혼합분말을 성형하여 다공체를 제조하는 단계이다. 다공체는 블록(block)형태나 펠릿(pellet)의 형태 등으로 제조가 가능하다. 펠릿형태는 도 2에 도시된 바와 같은 팬 타입의 과립기를 사용할 수 있으며 원하는 크기와 모양의 다공체를 제조하는 것이 가능하다.

본 발명에서 다공체를 성형할 때에는 별도의 바인더를 사용할 필요 없이 물만으로 성형이 가능하며 성형체의 초기 강도를 높이기 위해서는 물유리(water glass)를 혼합하여 사용할 수 있다. 물을 사용함으로써, 하소된 석회석(즉, 생석회(CaO))과 물이 반응하여 소석회(Ca(OH)₂)가 생성되고 이것이 선탄경석의 회분과 반응하여 지오폴리머를 생성되어 성형체가 강도를 갖게 된다.

(F) 상기 (E)단계에서 제조된 성형체에 강도가 부여되도록 양생하는 단계

상기 (E)단계에서 제조된 성형체를 상온~200℃에서 양생하여 강도가 발현되도록 하는 단계이다.

한편, 분말의 성형에 사용되는 물의 양은 대부분 원료무게의 약 15%~35% 정도이다. 이 이상이나 이하의 물을 사용하면 성형체는 가소성을 갖지 못할 수 있다. 그러나, 이러한 물의 양은 소석회와 지오폴리머의 형성에는 충분하지 않다. 즉, 과립시에 분무한 물은 입자들을 응집하여 과립시키기에는 적절한 양이지만, 하소된 석회석을 소석회로 변화시키고 지오폴리머의 생성과정에 필수적인 겔을 생성하기에는 부족하다. 따라서, 본 발명에 있어서, 양생은 성형한 다공체를 1일간 양생한 후에 성형체를 침적하는 등의 방법으로 수분을 다시 공급하며 온도를 유지시켜야 제조된 지오폴리머 다공체의 강도의 발현이 가능하다. 양생은 상온~200℃의 온도에서 가능하며 온도가 높을수록 강도의 발현이 빨라진다.

본 발명은 선탄경석과 석회석을 이용하여 매우 간단하고 경제적으로 지오폴리머 다공체를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 선탄경석의 자체 연소열을 이용할 수 있으므로 매우 경제적으로 지오폴리머 다공체를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 지오폴리머 다공체는 자체적으로 알칼리를 포함하고 있기 때문에 비소를 제외한 대부분의 중굼속의 처리에 활용될 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 지오폴리머 다공체의 성형시에 촉매나 흡착제 등의 기능성 물질을 혼합할 수 있으므로, 본 발명의 지오폴리머 다공체는 기능성 물질의 담체로도 활용될 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 상온에서 성형이 가능하고 저온(상온~200℃)에서 양생과정을 거치게 되므로, 촉매나 흡착제 등의 여러 기능성 물질을 혼합하여 다공체를 제조할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 지오폴리머 다공체의 제조방법을 개략적으로 설명하는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 과립단계에서 사용되는 팬 타입의 과립기를 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명의 선탄경석의 TGA-DTA 결과 및 석회석의 TGA 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 선탄경석, 선탄경석의 회분, 석회석의 XRD 패턴을 나타내는 도이다(Cu Kα).
도 5는 본 발명의 선탄경석 분말의 SEM 이미지를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 선탄경석 분말의 SEM 이미지를 나타내는 도이다.
도 7은 본 발명의 선탄경석 및 선탄경석의 회분의 평균입도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 선탄경석 및 석회석으로 제조된 지오폴리머 다공체의 강도를 나타내는 그래프이다(펠렛 크기:10mm).
도 9는 본 발명의 선탄경석 및 석회석으로 제조된 지오폴리머 다공체의 SME이미지를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 선탄경석 및 석회석으로 제조된 지오폴리머 다공체의 SME이미지를 나타내는 도이다.
도 11은 본 발명의 선탄경석 및 석회석으로 제조된 지오폴리머 다공체의 형상을 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명의 내용에 대해 하기 실시예에서 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 이와 등가의 기술적 사상의 변형까지 포함한다.

1. 시료의 준비

선탄경석(CPR: Coal Preparation Refuse)은 대한석탄공사 장성광업소의 철암생산부에서 채취한 것을 사용하였다. 선탄공정은 상승수류에 의한 선별과 이후 컨베이어 벨트로 배출되는 경석에서 수선에 의한 정선(scavenging)으로 구성되는데, 본 실시예에서 사용한 경석은 컨베이어 벨트의 배출구로부터 채취한 것이다. 채취한 선탄경석은 5~20cm 크기의 괴상으로서, 조 크러셔(Jaw crusher)에 의해 조쇄한 후, 볼 밀(ball mill)에 의한 분쇄와 사분(screening)을 반복하여 전체를 200㎛이하로 제조하였다.

석회석은 동양시멘트 삼척공장에서 시멘트제조용으로 조쇄하여 놓은 시료를 사용하였으며, 분쇄와 사분을 통해 전체를 200㎛이하로 제조하였다.

2. 시료의 분석

준비된 선탄경석과 석회석에 대하여 하기와 같은 분석을 하였다.

(1) 선탄경석의 공업분석

한국공업규격 [KS E 3705]에 따른 공업분석(proximate analysis)을 통해, 선탄경석의 수분, 휘발분, 회분, 고정탄소의 양을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

수분	회분	휘발분	고정탄소	황	발열량(kcal/kg)
1.10중량%	84.35중량%	2.25중량%	11.65중량%	0.65중량%	1212

상기 표 1에 나타나는 바와 같이, 선탄경석에는 휘발분과 고정탄소가 각각 2.25중량%, 11.65중량% 함유되어 있으며 이로 인한 발열량은 약 1210kcal/kg로 측정되었다. 또한, 황은 약 0.65중량% 함유되어 있는 것으로 나타났는데, 이 황은 소성시에 황화가스로 배출되어 공정과 환경에 안 좋은 영향을 미칠 수 있고, 잔류하였을 경우에는 제품의 품질에 영향을 미칠 수도 있다. 따라서 본 발명과 같이 과립과 연소공정이 포함될 경우에는 황을 고정시켜 줄 수 있는 석회석을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

(2) 선탄경석 및 석회석의 열중량 분석

TGA-DTA 기기를 이용하여 선탄경석과 석회석을 열중량 분석하여, 선탄경석의 TGA-DTA 결과와 석회석의 TGA 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타나는 바와 같이, 선탄경석의 경우에는, 휘발분의 연소가 400～600℃사이에서 일어남을 알 수 있으며, 이후 약 600℃부터 고정탄소의 연소에 의한 TGA의 감량곡선과 DTA의 발열피크가 나타남을 알 수 있었다. 선탄경석의 DTA곡선의 발열피크를 적분하여 발열량을 계산하면 5070J/g(1211.8 kcal/kg)로 나타나는데, 이는 상기 공업분석결과에 의한 발열량과 일치함을 알 수 있었다.

또한, 석회석의 경우에는 그 감량은 CaCO₃의 분해에 의한 것으로 700～900℃에서 일어남을 알 수 있었다.

(3) 선탄경석 및 석회석의 소성 후 성분 분석

선탄경석과 석회석을 1000℃에서 각각 소성한 후, XRF(X-Ray Fluorescence Spectrometers: ZSX100e, Rigaku)로 선탄경석의 회분과 하소된 석회석의 성분을 분석하여 하기 표 2에 나타내었다.

성분(중량%)	SiO₂	Al₂O₃	Na₂O	K₂O	CaO	MgO	Fe₂O₃	TiO₂	MnO
선탄경석의 회분	58.54	31.13	0.14	3.59	0.83	0.64	3.64	1.32	0.06
하소된 석회석	6.97	2.63	0.02	0.99	85	1.34	2.34	2.34	0.15

상기 표 2에 나타나는 바와 같이, 선탄경석의 회분은 SiO₂/Al₂O₃의 비율이 1.88로서 일반적인 토양구성 혹은 점토광물과 조성이 비슷하며 환경재료로서 적합한 조건을 가지고 있음을 알 수 있었다.

또한, 하소된 석회석은 CaO를 약 85중량%를 함유하며, SiO₂와 Al₂O₃를 각각 6.97중량%, 2.63중량% 함유함을 알 수 있었다.

(4) 선탄경석 및 석회석의 XRD 분석

선탄경석 및 석회석의 광물학적 조성을 알아보기 위해, XRD(X-Ray Diffractometer; D/Max-2200, Rigaku)로 XRD분석을 실시하여 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타나는 바와 같이, 본 발명에서 사용한 선탄경석은 석영, 백운모, 파이로필라이트가 주요 구성광물이며 이는 소성 후에도 변함이 없음을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 상기의 XRF분석 결과와 마찬가지로 선탄경석은 SiO₂와 Al₂O₃가 주 성분인 광물로 이루어져 있음을 알 수 있었다.

또한, 석회석은 주로 방해석과 석영으로 구성되어 있음을 알 수 있었다.

(5) 선탄경석 분말의 형상

선탄경석을 SEM(Scanning Electron Microscope: JSM-5410 and JSM-6300, JEOL))으로 촬영하여 선탄경석 분말의 형상을 알아보았다. 그 결과를 도 5, 6에 나타내었는데, 도 5는 괴상의 분말로 분쇄된 선탄경석의 형상을 보여준다. 한편, 도 6은 내부에 석탄의 판상입자를 포함하고 있는 입자로 보여지는데, 이러한 입자들은 연소시에 분해되고 입도가 낮아지며 비표면적이 커져 반응성이 높아질 것으로 판단되었다.

(6) 선탄경석 분말, 및 선탄경석 회분 분말의 입도

도 1에 도시된 단광단계에 사용한 선탄경석의 분말의 입도와 이를 900℃에서 연소시켜 해쇄한 선탄경석의 회분 분말의 입도를 입자크기분석기(Particle size analyzer(CILAS, 1064))로 측정하여 도 7에 나타내었다. 이때, 분쇄와 해쇄는 모두 볼밀과 진동체를 사용하였으며, 지정한 체의 크기 이하로 모두 분쇄하기 위해 분쇄와 사분을 반복하는 폐쇄회로 방법을 사용하였다. 이때 선탄경석의 경우는 200㎛의 체를 사용하였고, 선탄경석 회분의 경우는 입도를 낮추어 반응성을 높이기 위해 100㎛의 체를 사용하였다. 도 7에 나타나는 바와 같이, 선탄경석의 평균입도는 47.5㎛였으며, 선탄경석의 회분의 평균입도는 14.8㎛였다.

3. 실시예 1: 지오폴리머 다공체의 제조

선탄경석에 석회석을 전체의 약 10중량%의 비율로 혼합하여 볼밀과 진동체를 사용하여 200㎛이하로 분쇄하고, 바인더로 물을 사용하여 팬 타입의 과립기로 과립하고, 수직형연속로에서 800~1000℃에서 연소하고, 이를 볼밀과 진동체를 사용하여 100㎛이하로 해쇄시켜 선탄경석의 회분과 하소된 석회석의 혼합분말을 제조하였다. 이를 바인더로 물을 사용하여 팬 타입의 과립기로 과립하고, 70℃습윤양생기에서 24시간 동안 양생한 한 후, 이를 매일 한 번씩 물에 담그어 침적시키고 70℃에서 양생하는 과정을 7일간 반복하였다.

4. 실시예 2: 지오폴리머 다공체의 제조

선탄경석에 석회석을 전체의 약 15중량%의 비율로 혼합하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 지오폴리머 다공체를 제조하였다.

5. 실시예 3: 지오폴리머 다공체의 제조

선탄경석에 석회석을 전체의 약 20중량%의 비율로 혼합하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 지오폴리머 다공체를 제조하였다.

6. 비교예 : 지오폴리머 다공체의 제조

침적 및 양생을 반복하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 지오폴리머 다공체를 제조하였다.

7. 실험예 1: 지오폴리머 다공체의 강도 측정

상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 지오폴리머 다공체의 강도를 동적재료시험기(Dynamic Materials Testing Machine, Fast track 8801, Instron)를 이용하여 3㎜/min의 하중속도로 고정하여 측정하여 도 8에 나타내었다. 한편, 강도는 양생시킨 과립을 건조시키지 않고 바로 상온의 물에 2시간 이상 침적시킨 후 측정하였다.

도 8에 나타나는 바와 같이, 침적과 양생의 반복에 의해 본 발명의 지오폴리머 다공체의 강도가 4일까지 급격히 증가하고 이후 수렴하는 형태를 나타냄을 확인할 수 있었다. 특히, 석회석을 전체에 대하여 15중량%의 비율로 혼합한 경우, 침적과 약생을 반복한지 4일째에서 약 121.63kgf의 강도를 나타내었으며, 석회석의 혼합비율이 20중량%인 경우와 크게 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 따라서 석회석의 전체에 대한 혼합이율이 약 15중량%인 경우가, 최대 강도에 근접한 강도를 얻을 수 있는 최저혼합량이 됨을 알 수 있었다.

한편, 비교예에서 제조된 과립은 침적시에 형태만 겨우 유지될 수 있을 정도로 강도가 매우 낮았다. 이렇게 낮은 강도의 원인으로는 지오폴리머의 생성과정에서 필수적인 겔의 형성에 필요한 수분이 부족하기 때문인 것으로 판단되었다.

8. 실험예 2: 지오폴리머 다공체의 형상관찰

본 실시예 2에서 제조된 지오폴리머 과립의 파단면을 SEM(Scanning Electron Microscope: JSM-5410 and JSM-6300, JEOL)으로 관찰하여 도 9, 10에 나타내었다. 도 9, 10에 나타나는 바와 같이, 입자의 표면에 새로운 물질이 생성되어 선탄경석 입자들을 연결하고 있음을 볼 수 있었다. 이는 침적과 양생을 반복하는 동안, 하소된 석회석의 용해와 분산, 그리고 지오폴리머의 생성이 반복되어 생성된 물질로 볼 수 있다고 판단되었다.

한편, 본 실시예 2에서 제조한 지오폴리머 과립의 형상을 도 11에 나타내었다. 도 11에 나타나는 바와 같이, 원하는 크기의 구형 과립의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

Claims

(A) 선탄경석과 석회석을 혼합하고, 200㎛ 이하의 크기로 분쇄하여 분말로 만드는 단계;
(B) 상기 분말을 성형하여 단광체를 제조하는 단계;
(C) 상기 단광체를 가열하여 800~1000℃의 온도에서 연소시키는 단계;
(D) 상기 연소된 단광체를 해쇄하여 분말로 만드는 단계;
(E) 상기 분말을 물과 혼합하여 성형체를 제조하는 단계; 및
(F) 상기 성형체에 강도가 부여되도록 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (A)단계에서, 상기 석회석의 혼합비율은 전체의 5~30중량%인 것을 특징으로 하는 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(C)에서, 가열을 통해 선탄경석은 회분으로, 석회석은 생석회(CaO)로 바뀌는 것을 특징으로 하는 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(D)에서, 상기 분말의 입도가 100㎛이하가 되도록 해쇄하는 것을 특징으로 하는 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법.
삭제
제3항에 있어서,
상기 단계(E)에서, 상기 생석회(CaO)가 물과 반응하여 소석회(Ca(OH)₂)로 되고, 상기 소석회(Ca(OH)₂)가 상기 회분과 반응하여 지오폴리머를 생성시키는 것을 특징으로 하는 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(F)에서, 상기 성형체를 상온~200℃에서 1일간 양생한 후에, 침적하고 다시 양생하는 것을 반복하는 것을 특징으로 하는 선탄경석과 석회석을 이용한 지오폴리머 다공체의 제조방법.