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과제기본정보

Light burned MgO를 활용한 Mg 기반 CO2 격리형 무기결합재 개발 및 실용화 기반 구축2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 22CTAP-C163524-02
국가과학표준분류 1순위 보건·의료 | None | None 적용분야 환경
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 응용
과제명 Light burned MgO를 활용한 Mg 기반 CO2 격리형 무기결합재 개발 및 실용화 기반 구축
주관연구기관 전북대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 장홍석
소속 전북대학교산학협력단 직위 조교수(비전임)
전화번호 063-270-2429 FAX 063-270-2421
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 30,000,000 0 0 0 30,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 석회석의 칼슘을 기반으로 제조 되는 기존의 포틀랜드 시멘트는 국내에서 연간 5,000만 톤 정도 사용되는 필수적인 건설재료며 수입으로 대체할 수 없는 전략적인 물자이다. 하지만 포틀랜드시멘트 제조 시 시멘트 1톤당 CO2 0.9~1톤이 배출되기 때문에 새로운 파리기후협약이 본격적으로 국내 산업에 영향을 미칠 2021년부터 온실가스 배출 할당량이 급감할 경우 이미 순환자원 재활용, 폐열발전, 설비 고도화 등을 통해 온실가스 배출을 최대한 감축해온 시멘트 업계는 더 이상의 온실가스 배출저감 여력이 없기 때문에 탄소배출권 매입 등에 의한 원가인상 요인이 발생하게 되어 건설업계는 물론 국가 정책시행에 큰 부담을 줄 것으로 예상된다.


기존의 칼슘기반 포틀랜드 시멘트가 새로운 기후협약과 온실가스 의무 감축시대에 무한정 공존할 수 없다면 기존의 탄산칼슘을 기반으로 하는 포틀랜드 시멘트를 대체할 새로운 시멘트 개발을 시작해야만 한다. 가능성 있는 여러 시멘트 재료 중 이미 어느 정도 가능성이 확인된 마그네슘을 기반으로 하는 시멘트는 생산 시 기존의 포틀랜드 시멘트에 비해 이산화탄소 배출량이 50% 정도로 적을 뿐 아니라 경화특성상 생산과정에서 배출했던 이산화탄소를 영구적으로 고정화함으로써 온난화의 주범인 이산화탄소 배출에서 자유로운 재료이다. 또한 경화생성물을 다시 재활용하여 원재료화 할 수 있기 때문에 환경적으로 지속가능형 결합재라는 이점이 있다.
하지만 마그네슘은 칼슘보다 반응성이 느리기 때문에 시멘트에 비해 화학적 변화가 빨리 이루어지지 않는다. 때문에 전세계적으로 반응성을 높이기 위한 연구가 진행되고 있으며, 최근 Hydrated Magnesium Carbonate (xMgCO3?yMg(OH)2?zH2O)를 탄산화 촉진제로 사용함으로써 초기 경화를 촉진시킨 사례가 있으나, 아직 그 단계가 기초 연구단계 수준이다.
기존의 포틀랜드 시멘트도 개발된 지 약 200년이 지난 지금까지 수많은 연구자들의 노력으로 오늘과 같은 건설 필수재료가 될 수 있었다. 비록 마그네슘을 기반으로 하는 새로운 시멘트가 포틀랜드 시멘트를 바로 대체할 수 없을지라도 온실가스 배출과 절감 문제에서 자유롭고 경화체로서의 가능성과 일부 메카니즘이 밝혀진 새로운 시멘트 개발에 대한 연구는 매우 시급하며 온실가스 배출량을 획기적으로 감축하려는 정부정책과 이산화탄소 영구 저장 및 시멘트 산업계와 건설업이 마주하게 될 어려움에 대응할 수 있는 중요한 시작점이 될 수 있을 것이다.

본 연구진은 사전 연구를 통해 Mg 기반의 광물인 하이드레이트 마그네슘 카보네이트(Hydrated Magnesium Carbonates(xMgCO3yMg(OH)2zH2O), 이하 HMCs)를 하소하여 고순도, 고비표면적의 고활성 MgO를 제조하고, 그 물리·화학적 특성에 대하여 분석 하여 촉진 탄산화 양생을 통해 light burned MgO의 CO2 격리 특성에 대하여 연구하여 기존 MgO 대비 CO2 고정량을 90 % 이상 개선하는 기술을 보유하였다. 이러한 연구기술을 기초로 light burned MgO를 적극 활용하여 결합재 1 ton 당 약 500 kg의 CO2를 안정적으로 격리·저장할 수 있는 압축강도 13 MPa 이상의 Mg 기반 CO2 격리형 결합재를 개발하고, 시공성개선과 내구성평가 등을 진행하여 콘크리트 및 2차 제품에 적용 가능한 Mg 기반 CO2 격리형 무기결합재의 실용화 기반 구축을 목표로 한다.
최종목표 본 연구진은 사전 연구를 통해 Mg 기반의 광물인 하이드레이트 마그네슘 카보네이트(Hydrated Magnesium Carbonates(xMgCO3yMg(OH)2zH2O), 이하 HMCs)를 하소하여 고순도, 고비표면적의 고활성 MgO를 제조하고, 그 물리·화학적 특성에 대하여 분석 하여 촉진 탄산화 양생을 통해 light burned MgO의 CO2 격리 특성에 대하여 연구하여 기존 MgO 대비 CO2 고정량을 90 % 이상 개선하는 기술을 보유하였다.

본 연구의 목표는 연구진의 기존 보유 연구기술을 기초로 light burned MgO를 적극 활용하여 결합재 1 ton 당 약 500 kg의 CO2를 안정적으로 격리·저장할 수 있는 압축강도 13 MPa 이상의 Mg 기반 CO2 격리형 결합재를 개발하고, 시공성개선과 내구성평가 등을 진행하여 콘크리트 및 2차 제품에 적용 가능한 Mg 기반 CO2 격리형 무기결합재의 실용화 기반 구축을 목적으로 한다.

light burned MgO를 활용한 CO2 격리형 무기결합재는 아직 국내에서는 연구 결과가 전무한 실정이고, 진행된 마그네슘 시멘트에 대한 연구내용 또한 CCS 기술로서 진행된 연구가 아닌 인산염을 첨가하여 단순경화체로써 사용되는 마그네슘 인산염 시멘트나, 원료(Magnesium Carbonate)에서 고온 소성을 통해 탈탄산한 MgO를 보통 포틀랜드 시멘트나 산업부산물과 단순 혼합하여 MgO를 활성화제 용도로 사용하여 수축보상에 대한 첨가제로써 사용된 내용이 주를 이루고 있다. 자연 탄산염화 과정에서 CO2를 흡착할 수 있는 MgO가 결합재 전체 중량의 10% 내외로 첨가된 사례와 달리 Mg기반 CO2 격리형 무기결합재에서는 MgO가 결합재 전체 중량의 60%까지 사용될 수 있을 것으로 판단되어 기존 사례보다 경화과정에서 흡착할 수 있는 CO2가 5배 이상 증가할 것으로 예상된다.
연구내용 및 범위 연구진의 기존 보유 연구기술을 기초로 light burned MgO를 적극 활용하여 결합재 1 ton 당 약 500 kg의 CO2를 안정적으로 격리·저장할 수 있는 압축강도 13 MPa 이상의 Mg 기반 CO2 격리형 결합재를 개발하고, 시공성개선과 내구성평가 등을 진행하여 콘크리트 및 2차 제품에 적용 가능한 Mg 기반 CO2 격리형 무기결합재의 실용화 기반 구축을 목표로 2차년에 걸쳐 아래와 같은 연구 내용과 범위를 선정하였다.


1차년 Light burned MgO와 혼화재료를 활용한 CO2 격리형 무기결합재 개발

○ light burned MgO의 특성에 따른 결합재 배합 도출
- CO2 격리 시멘트 국내외 기술수준 분석
- 원재료의 하소 온도에 따른 light burned MgO의 입도 크기, 비표면적 분석
- 비표면적에 따른 light burned MgO의 응결특성 평가
- 초기 및 장기 pH 농도, 수화열 분석

○ 혼화재료를 활용한 고활성 Light burned MgO 배합 설계
- 혼화재료 혼합에 따른 초기 및 장기적 pH 농도 분석
- XRD 분석을 통한 혼화재료 경화 특성 분석
- SEM, XRD 분석을 통한 light burned MgO의 경화 특성 평가
- TGA/DSC 분석을 통한 CO2 sequestration 결합재의 CO2 고정량 평가


2차년 CO2 격리형 무기결합재의 콘크리트 적용 및 내구성 평가
○ Mg 기반 CO2 격리 결합재를 활용한 콘크리트의 시공성 및 물리화학적 성능 평가
- 개발 결합재 적용 시험체의 굳지 않은 모르타르 특성평가
- 개발 결합재 적용 모르타르의 응결시간 평가(KS L 5103, KS L 5108)
- 개발 결합재 적용 압축강도 시험 평가(KS L ISO 679)
- SEM, XRD, TGA/DSC 분석을 통한 Mg 기반 CO2 격리 결합재의 광물 특성 평가

○ 개발 결합재를 적용한 콘크리트의 내화학성 및 Mock-up 테스트
- 양생조건에 따른 개발 결합재 적용 콘크리트 내구성 평가
- 개발 결합재를 적용한 모르타르 시험체의 장기적 내황산염, 내염해성 평가
- TGA/DSC 분석을 통한 Mg 기반 CO2 격리 결합재 적용 콘크리트의 CO2 고정량 평가
- 기존의 탄소저감 연구사례와 CO2 저감량 비교
- 개발 결합재의 경제성 평가(원재료 수급 포함)


핵심성과 1 : 분말도별로 다양한 light burned MgO를 시멘트 대체재로 적용하기 위하여 응결특성, 수화도, 강도 등을 고려하여 배합 및 광물학적으로 미흡한 압축강도를 보강하기 위한 혼화재료 혼입 배합 설계
○ 분말도별 light burned MgO의 특성에 따른 결합재 배합 도출
○ 고활성 Light burned MgO의 강알칼리성을 이용한 압축강도 보강용 혼화재료 혼입 배합 설계

핵심성과 2 : Mg 기반 CO2 격리형 무기결합재를 적용한 콘크리트의 압축강도 및 내구성과 같은 실용화 가능성을 평가하고, 양생 과정을 조절하여 시공성 및 물리화학적 특성에서 최적 배합 설계
○ Mg 기반 CO2 격리 결합재를 적용한 콘크리트의 시공성 및 물리화학적 성능 평가
○ 개발 결합재를 적용한 콘크리트의 내화학성 및 Mock-up 테스트

핵심성과 3 : 700~1000 ℃에서 하소한 고활성의 light burned MgO에 탄산촉진제로 light burned MgO의 원재료인 hydromagnesite를 활용하고 압축강도 보강을 위해 고로슬래그를 첨가한 CO2 격리형 무기결합재 개발 및 콘크리트 2차 제품 적용
○ 기존 콘크리트와 유사한 시공성을 위한 light burned MgO 분말도 설계
○ 압축강도 보강을 위한 고로슬래그 혼입 및 내구성 평가
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 Light burned MgO와 혼화재료를 활용한 CO2 격리형 무기결합재 개발 ○ light burned MgO의 특성에 따른 결합재 배합 도출
- CO2 격리 시멘트 국내외 기술수준 분석
- 원재료의 하소 온도에 따른 light burned MgO의 입도 크기, 비표면적 분석
- 비표면적에 따른 light burned MgO의 응결특성 평가
- 초기 및 장기 pH 농도, 수화열 분석

○ 혼화재료를 활용한 고활성 Light burned MgO 배합 설계
- 혼화재료 혼합에 따른 초기 및 장기적 pH 농도 분석
- XRD 분석을 통한 혼화재료 경화 특성 분석
- SEM, XRD 분석을 통한 light burned MgO의 경화 특성 평가
- TGA/DSC 분석을 통한 CO2 sequestration 결합재의 CO2 고정량 평가
- 개발 결합재의 경제성 평가(원재료 수급 포함)
연구성과 기술적 기대성과 - 친환경 녹색기술의 전세계적 패러다임에 부합하는 기술개발로 기술경쟁력 확보
- 탄소저감형 건설재료의 활용근거 제시에 따른 친환경 건설재료 기술개발 촉진에 기여
- 미래 건설재료 기술인 CO2 Sequestration Cement의 원천기술 확보를 통한 국내 시멘트 제조 기술력 향상 및 실용화를 통한 세계기술선점 가능
- 환경저해 산업으로 인식되는 시멘트 산업의 지속가능 녹색성장 기반기술 확립
사회 경제적 파급효과 - 건설재료의 탄소저감에 따른 국제적인 탄소거래시장의 우위 확보 가능
- 국내 시멘트 산업의 이산화탄소 발생량의 약 7.6%를 차지하며 연간 4680만 톤의 온실가스를 발생시키고 있음. 이는 시멘트 산업 뿐만 아니라 시멘트를 주요 재료로 사용하고 있는 건설 산업의 비용측면에서 경쟁력을 약화시키는 요인이 됨. 따라서 본 연구에서 개발한 CO2 Sequestration Cement를 통해 시멘트 산업의 10% 점유시 연간 약 280만 톤 CO2/년 의 이산화탄소를 저감시킬 수 있을 것으로 예상됨
- 에너지 다소비 및 이산화탄소가 대량 발생하는 시멘트?콘크리트 산업에서 에너지 및 이산화탄소를 절감시킬 수 있는 신소재 개발을 통한 지속발전 가능한 산업으로의 전환 및 친환경적 이미지 구축
- 21세기 한국의 신성장동력인 “저탄소 녹색성장”에 부합되는 건설재료 분야의 지속가능 융합 산업분야 개발로 국가경쟁력 강화
- 선진국의 건설재료 기술을 수입하여 활용하는 기술수입국에서 탄소저감형 건설재료 기술을 개발하여 건설재료기술의 선도적 위치 선점
- 환경저해 산업으로 인식되는 시멘트 산업의 지속가능 녹색성장 기반기술 확립
- 21세기 한국의 신성장동력인 “저탄소 녹색성장”에 부합되는 건설재료 분야의 지속가능 융합 산업분야 개발로 국가경쟁력 강화
- 선진국의 건설재료 기술을 수입하여 활용하는 기술수입국에서 탄소저감형 건설재료 기술을 개발하여 건설재료기술의 선도적 위치 선점
- 세계적으로 기술 도입 단계인 이산화탄소 흡수 시멘트?콘크리트 기술에 대한 원천기술 확보는 중장기 탄소저감형 시멘트?콘크리트 분야의 세계적 경쟁력 확보를 위한 전략적 가치를 지님
활용방안 - 건설구조재료의 주요 재료인 시멘트, 콘크리트 시장에서 건축, 토목구조물의 구조체 시공을 위한 구조채, 대규모 바닥재, PC 부재 등으로의 활용이 예상됨.
- 원천소재기술로서 개발 성공시 건설산업 전반에 걸쳐 파급효과가 큼
- 미래원천기술 확보를 통하여 시멘트 대체품분야 및 이를 활용한 콘크리트 제품으로의 활용이 기대됨
- CCS 적용 탄소 거래, 녹색인증 등의 정책 제안 가능
- CO2 먹는 건설재료로서 대국민 홍보
- 특허출원 및 등록, 제품개발, 현장적용 결과 실용화 타당성여부, 상용제품 생산 가능성 등을 고려하여 후속 실용화 R&D 및 제품 상용화 활용
- 시멘트사를 통한 CO2 Sequestration Cement 핵심소재 개발 및 2차 제품 업체를 통한 친환경 제품의 사업화 활용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 이산화탄소 포집 및 저장 CO2 격리형 무기결합재 경소 마그네시아 시멘트 이산화탄소 저감대책 친환경 건설재료
영문 Carbon Capture and Storage CO2 sequestraion inorganic binder Light burned MgO cement CO2 reduction measures Eco-friendly construction material
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