제지 애쉬와 플라이 애쉬의 물리화학적 활성화 및 시멘트 혼합재 적용에 관한 연구

Abstract

국내 제지산업과 화력발전산업에서는 다량의 산업부산물이 발생하고 있다. 제지 제조공정은 초지공정, 완정공정, 폐수처리공정으로 분류할 수 있으며, 이중 폐수처리공정에서 발생되는 폐기물을 제지슬러지라 한다. 이처럼 제지 제조공정에서 발생되는 제지슬러지의 발생량은 연간 160만 톤 수준이며, 소각 또는 매립 처분하고 있다. 제지 슬러지를 소각한 후 발생하는 제지 애쉬는 퇴비, 고화제, 원예용 상토 등 다양한 분야에서 활용방안이 보고되고 있다. 하지만 제지 애쉬의 재활용률은 약 20 % 수준에 머물러 대부분 매립 처리되고 있는 실정이다. 또한 석탄 화력발전소에서 발생하는 석탄회는 유·무연탄을 고온으로 연소한 후 발생되는 재로써, 연간 약 835만 톤이 발생하고 있다. 플라이 애쉬란 화력 발전 공정 중 집진기에서 포집된 석탄회를 말하며, 석탄회 발생량의 약 80 %를 차지한다. 보통 플라이 애쉬는 레미콘 혼화재, 시멘트 부원료 등으로 사용되고 있으나, 콘크리트 초기강도 저하 등의 문제로 사용량 및 수요처가 한정되어 있다. 따라서 본 연구에서는 대부분 매립 처리되거나 사용량이 한정적인 제지 애쉬와 플라이 애쉬 개발 및 용도와 재활용률을 높이기 위하여, 이들을 물리·화학적으로 활성화하고자 하였다. CaO와 C12A7 등으로 구성되어 있는 칼슘계 제지 애쉬는 수화수 혼합 및 무수석고를 혼합하여 전처리하였다. 전처리 제지 애쉬는 결정성 분석, 미세구조 관찰 및 열분석 등을 통해 제지 애쉬의 전처리가 효과적으로 이루어 진 것을 확인할 수 있었으며, 시멘트 혼합재로 사용 가능할 것이라 판단되었다. 아울러, 수화수 12 %와 무수석고 10 % 혼합시 prehydration에 의한 급결성 제어 및 수화 생성물인 에트링자이트 생성 효율이 가장 우수한 것으로 판단되었다. 플라이 애쉬는 분쇄기 종류, 분쇄 매체 크기 및 볼 충전율 등을 제어하여 분쇄 및 활성화하였다. 분쇄기 종류에 따른 플라이 애쉬 활성화 효율은 진동밀이 가장 우수하였으며, 분쇄 매체인 스틸 볼의 크기는 10 mm, 볼 충전율 70 %가 적절한 것으로 판단되었다. 또한 결정성 분석, 미세구조 관찰 및 수화열 분석 등을 통한 활성 플라이 애쉬 수화물 분석을 실시하였다. 수화물 분석 결과 플라이 애쉬가 분쇄과정을 통해 활성화되어 시멘트 수화물인 Ca(OH)2의 소모(포졸란 반응)를 촉진시킨 것을 확인할 수 있었다. 전처리 제지 애쉬와 활성 플라이 애쉬의 시멘트 혼합재 적용 특성을 검토하기 위하여 혼합시멘트의 모르타르·콘크리트 특성 분석을 실시하였다. 전처리 제지 애쉬를 시멘트 혼합재로 10 % 사용시 모르타르의 압축강도 및 길이변화율 특성이 개선되었다. 아울러 활성 플라이 애쉬 20 %를 시멘트 혼합재로 사용할 경우 분쇄하지 않은 플라이 애쉬를 사용하였을 때보다 높은 압축강도를 발현하였다. 활성 플라이 애쉬에 전처리 제지 애쉬를 10 % 혼합하여 사용한 경우, 활성 플라이 애쉬만을 사용하였을 경우보다 우수한 초기 압축강도 특성을 나타내었다. 더불어 OPC 대비 건조수축 저항성이 약 30 % 정도 개선되었으며, 이는 활성 애쉬 혼합시멘트를 타일 접착 모르타르, 무수축 그라우트제 등으로 적용 가능할 것이라 판단되었다. 상기의 결과들로부터 prehydration 및 무수 석고 혼합을 통한 제지 애쉬의 전처리와 진동밀을 이용한 플라이 애쉬의 활성화 방법은 상당히 효과적인 것으로 판단되었다. 이는 단순히 매립 처리되는 산업부산물의 효과적인 재활용 방안을 제시하는 것으로써, 환경 부하 저감 및 관련 제품의 가격 경쟁력 확보에도 기여할 것으로 사료되었다.