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과제기본정보

포집 이산화탄소와 폐콘크리트의 영구 광물화 반응 기제를 활용한 제강슬래그 골재 안정화 (수침팽창율 0.1% 이하) 기술 개발1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C151965-01
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 친환경 재생건설재료 적용분야 건설업
2순위 환경 | 폐기물 관리 자원순환 | 폐기물 자원화기술 실용화대상여부 비실용화
3순위 에너지 자원 | 온실가스 처리 | CO2 저장기술 과제유형 기초
과제명 포집 이산화탄소와 폐콘크리트의 영구 광물화 반응 기제를 활용한 제강슬래그 골재 안정화 (수침팽창율 0.1% 이하) 기술 개발
주관연구기관 부경대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 정철우
소속 부경대학교 산학협력단 직위 교수
전화번호 051-629-5225 FAX 051-629-6040
총 연구기간 2019-04-15 ~ 2020-12-31
당해연도 연구기간 2019-04-15 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 164,000,000 0 0 0 164,000,000
과제기본정보
연구개발개요 본 연구는 포집 이산화탄소를 활용하여 폐콘크리트 및 제강슬래그의 영구적 탄산화반응을 촉진시켜 처리된 광물상의 안정성을 높이고, 유해물질의 유출을 억제하여 환경오염 부하를 감소시킬 수 있는 원천 기술이다. 본 연구는 포집 이산화탄소를 영구적 광물화를 통해 소비하여 환경 부하를 억제하고, 산업폐자원의 안정화를 통해 주변 환경오염원을 제거하여, 현재까지 재활용률이 낮은 산업폐자원을 폐기하지 않고 재활용할 수 있다는 측면에서 1석 3조의 친환경적인 기술이다.
최종목표 [최종목표]
○ 포집 이산화탄소와 폐콘크리트의 광물화 반응을 최대화시킬 수 있는 반응 온도·압력 조건을 연구
○ 이러한 반응 기제를 활용하여 제강슬래그의 급속 중성화 반응을 통한 이산화탄소 저감 및 골재의 안정화 기술을 확보

[세부목표]
○ 본 연구의 최종 목표 (액상 및 초임계상의 포집 이산화탄소 이용 조건)
(1) 폐콘크리트의 촉진 중성화반응을 최대한 진행시킬 수 있는 최적 온도 및 압력 조건 제시
(2) 폐콘크리트의 촉진 중성화반응 처리공정 제안
(3) 중성화반응 처리공정을 활용한 제강슬래그 급속 안정화 기술을 확보
(콘크리트용 골재로서의 활용 가능한 수준 만족)
(4) 이산화탄소의 영구적 광물화 유도
-용출시험을 진행하여 유해물질의 용출량을 검증
-광물화된 이산화탄소량을 정량 평가하여 배출탄소량 감소에 대한 기여도 평가
(5) 다양한 산업부산물 재료의 안정화에 활용 될 수 있는 기술 개발

○ 성토재 및 지반채움재로 활용하기 위한 제강슬래그의 안정화 수준은 TCLP (EPA 1311) 및 SPLP (EPA 1312) 시험에 의한 유출도가 규준 이하일 때 만족
○ 콘크리트용 골재로 활용하기 위해 제강슬래그 안정화 수준은 모르타르 바의 수침팽창율 시험을 진행하여, 28일 침지시험 기준 팽창율 0.1% 이하를 만족
(ASTM C 1260)
○ 본 연구는 이산화탄소를 소비하고 저감하는데 기여하며, 산업폐자원의 안정화를 통해 주변 환경오염원을 제거하여 현재까지 재활용률이 낮은 산업폐자원을 폐기하지 않고 재활용할 수 있다는 측면에서 1석 3조의 친환경적인 기술임
연구내용 및 범위 [연구개발 내용]
○ 액상 및 초임계상의 포집 이산화탄소를 활용한 폐콘크리트의 촉진 중성화반응에 최적화된 온도·압력 조건
-폐콘크리트 촉진 중성화 처리공정 제안
-TCLP (EPA 1311), SPLP (EPA 1312), 및 pH 시험에 의한 유출도 특성 평가
-영구적 광물화에 의한 폐콘크리트의 이산화탄소 저감량 평가
○ 포집 이산화탄소를 활용한 촉진 중성화공정이 제강슬래그의 안정화에 미치는 영향 평가
-TCLP (EPA 1311), SPLP (EPA 1312), 및 pH 시험에 의한 유출도 특성 평가
-80°C에서 모르타르 수침팽창시험 진행 (28일 침지 팽창률 0.1% 이하)
-ASTM C 1260법에 의한 제강슬래그의 알칼리골재 반응성 시험
-영구적 광물화에 의한 제강슬래그의 이산화탄소 저감량 평가

○ 본 연구에서 제안하고자 하는 기술은 포집된 이산화탄소를 영구적으로 광물화시키는 탄산화 반응이 폐콘크리트의 안정화에 큰 영향을 미친다는 결과를 바탕으로, 이를 확대 적용시켜 제강슬래그를 비롯한 다양한 형태의 산업폐자원의 안정화에 도움이 될 수 있다는 사실을 증명하고자 함
○ 이에 따라 본 연구에서는 연구기간의 한계로 안정화를 시키고자 하는 산업폐자원을 폐콘크리트 및 제강슬래그로 한정시켜 적용하고자 함
○ 안정화 반응에 활용되는 환경은 액상 혹은 초임계상의 이산화탄소 공정으로 매우 반응이 격렬하기 때문에, 대부분의 물질이 용출되어 탄산염의 형태로 침전되거나 다른 용출물질 (Si 혹은 Al 등)과 결합하여 결정성 구조물을 생성할 확률이 매우 높음. 따라서 안정화 반응 후의 재료는 지반의 성토재, 채움재 등으로 활용되어도 주변 환경의 오염 (중금속 용출 및 pH 상승 등) 문제로부터 자유로운 친환경적인 재료로 활용될 수 있음. 따라서 단순 매립이 법적으로 제한을 받는 현재의 상황을 고려하면 매우 높은 중요성을 가짐
○ 또한 현재 우리나라에서 발생하는 골재 수급의 문제를 고려하면, 산업폐자원의 골재 활용을 위한 안정화 기술 개발이 필수적인 상황임. 따라서 제강슬래그를 포함한 다양한 형태의 산업폐자원의 안정화 기술 개발을 통해 골재 수급의 문제를 해결할 필요성이 있음
○ 일차적으로 포집 이산화탄소와 폐콘크리트 및 제강슬래그 사이의 상호반응을 이용하여 calcium carbonate, iron carbonate, magnesium carbonate 등의 석출을 유도하고자 함. 이를 통해 이산화탄소를 영구적 광물상으로 변환시켜 이산화탄소의 배출로부터 발생하는 환경 부담을 완화시키고, 제강슬래그의 콘크리트용 골재 및 지반 채움재로서의 활용성을 더욱 증대시키고자 함. 이는 지구 온난화 및 지반의 오염 방지 측면에서 볼 때 환경 친화적인 기술에도 해당되므로 세계적인 선도 기술로써의 연구개발 가치가 충분하다고 판단됨
○ 최종적으로 정리하면, 본 연구는 다음과 같이 두 가지 항목으로 구성됨
(1) 포집 이산화탄소와 폐콘크리트의 영구 광물화 반응 극대화를 위한 반응 조건 연구
(2) 폐콘크리트에 적용되는 포집 이산화탄소와의 최적 반응 조건이 제강슬래그의 안정화 및 이산화탄소 광물화에 미치는 영향 검증
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 [연구개발 목표] 포집 이산화탄소와 폐콘크리트의 급속 중성화 반응에 의한 이산화탄소의 영구 광물화 및 주변 환경부하 저감 ○ 포집 이산화탄소와 폐콘크리트 사이의 반응을 위한 최적 온도·압력 조건 연구
-순수한 이산화탄소와 모사 포집 이산화탄소와의 반응정도의 차이를 다양한 조건에서 실험 (액상 및 초임계상)한 후 반응성 차이 검증
-반응 전·후의 광물상 (XRD), 화학성분 변화 (XRF), 미세구조 변화 연구 (SEM)

○ 포집 이산화탄소와 폐콘크리트의 반응 촉진을 위한 경제적 처리공정 연구
-각 온도·압력 조건에서의 액상 및 초임계상의 포집 이산화탄소의 반응성 대비 처리비용 비교 분석
-경제성 및 효율성을 만족하는 폐콘크리트의 중성화 처리공정 제시

○ 중성화반응이 완료된 폐콘크리트의 용출 실험 진행
-포집 이산화탄소와의 반응 전·후의 폐콘크리트의 유해원소 유출정도를 TCLP (EPA 1311) 및 SPLP (EPA 1312) 방법에 의해 검증
-ICP-OES, IC를 활용한 유출수 내부의 양이온, 음이온 분석 (유해원소 용출량 규준치 이하 목표)
-pH 분석을 통한 잔존 알칼리도 확인 (pH 9.5 이하, 비회복성 목표)

○ 이산화탄소 저감량 분석
-중성화 반응이 극대화되는 온도·압력 조건에서 반응한 폐콘크리트의 탄산칼슘 석출량 정량 검증 (TGA)
-영구적으로 광물화된 이산화탄소 량을 파악하여, 실제 환경부하의 저감효과 확인
연구성과 기술적 기대성과 ○ 포집 이산화탄소와의 반응 공정은 지구 온난화에 가장 적극적으로 대응하는 친환경적 기술로써, 산업폐자원 재료 내부 구조에 인위적인 반응을 일으켜 안정화를 유도하는 메커니즘을 가짐
○ 이에 따라 유해 물질의 용출을 억제할 수 있으므로 주변 자연 환경의 보존에도 매우 필요한 기술임. 이후 이러한 기술이 다른 형태의 산업폐자원에 활용될 수 있는 가능성이 매우 크므로 활용성 또한 높은 원천기술로서의 가치를 충분히 다할 수 있을 것으로 사료됨
○ 이산화탄소 포집량이 많은 곳 (화력발전소, 제철소 등)에서 발생하는 산업부산물의 안정화에 쉽게 적용할 수 있음 (이송거리가 없어 경제성 극대화)
사회 경제적 파급효과 ○ 건설 신기술 및 환경 신기술 등의 지정을 통한 친환경 건설 시장의 활성화 도모
○ 후속 연구를 통해 다양한 산업 부산물에 대한 적용성 평가가 완료되면, 산업폐자원 재활용의 새로운 장을 열 것으로 판단됨
활용방안 ○ 학문적 기대성과
ㆍ실리케이트 재료와 포집 이산화탄소의 반응에 대한 기초적인 연구자료 확보
ㆍ폐콘크리트 및 제강슬래그 반응을 통한 타 종류의 산업폐자원 안정화 정도 예측
ㆍ연구자료 DB화 구축 및 폭넓은 적용 & 친환경 건설재료 관련 전문가 인력 양성
ㆍ연구 성과를 관련 국내·외 저명학술지에 게재하여 연구력 증진

○ 인력 양성적 기대성과
ㆍ전문의 지식을 겸비한 기술자 양성 & 국내 건설기술의 발전 및 신기술 개발
ㆍ석·박사급 인력양성으로 경쟁력을 갖춘 국제적 수준의 고급 인력 배출
ㆍ건설 분야 및 지질 환경 분야의 융·복합 연구를 수행할 수 있는 전문가 양성

○ 기술적 기대효과
ㆍ포집 이산화탄소의 활용을 통한, 적극적인 지구 온난화 대응
ㆍ이산화탄소와 산업폐자원의 탄산화 반응을 통한 자원의 안정화 기술 확보
ㆍ유해 물질 유출도 및 유해반응 억제효과를 통한 건설용 자재로서 활용기술 확보
ㆍ폭넓은 산업(철강, 화력, 시멘트, 모래, 레미콘 등)분야와 연계된 기술개발 가능
ㆍ사용재료별 요구 성능에 대응 가능한 친환경 건설재료 제조 가능

○ 경제·산업적 기대효과
ㆍ이산화탄소 저감을 통한 탄소세 부담 감소
ㆍ연구 성과의 실용화 및 사업화로 효율적 전파
ㆍ재생자원의 재활용과 연관된 새로운 건설시장 개척 & 국가경제발전에 기여
ㆍ자원순환 및 환경부하 저감 기술의 실용화로 재생자원 재활용률 극대화
ㆍ재생자원 관련 기술정보 제공으로 미래선진국형 자원순환사회 건설
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국문 포집 CO2 중성화 제강 슬래그 폐자원 재활용 환경친화
영문 captured CO2 carbonation steel slag waste recycling environmentally friendly
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