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과제기본정보

에너지 절감형 천연점토 대체 건축용 레드머드 세라믹 제품 원천기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C142091-02
국가과학표준분류 1순위 환경 | 폐기물 관리 자원순환 | 폐기물 자원화기술 적용분야 건설업
2순위 재료 | 세라믹재료 | 세라믹제조공정기술 실용화대상여부 실용화
3순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 건설마감재료 과제유형 기초
과제명 에너지 절감형 천연점토 대체 건축용 레드머드 세라믹 제품 원천기술 개발
주관연구기관 우석대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 강석표
소속 우석대학교 직위 교수
기관 대표번호 063-290-1139 FAX 063-290-1139
총 연구기간 2018-04-17 ~ 2019-12-31
당해연도 연구기간 2019-01-01 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 215,000,000 0 0 0 215,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 1. 연구개발의 필요성
1-1. 연구개발의 개요

□ 기후변화 및 자원수급 문제해결을 위한 재활용 건축소재 개발의 필요성
미래창조과학부의 미래전략보고서(2015)에 의하면 세계적으로 기후변화의 가속화와 원자재채굴의 한계에 따른 자원수급의 불안정성을 예상하고 있음.
- 기후변화 문제는 제조산업에서 배출하는 온실가스량과 밀접한 관계가 있음.
- 국내 천연자원이 고갈되어 감에 따라 천연광물을 대체 원료의 확보가 시급함.
- 자원순환기본법(2018.1.1. 시행)의 제정 등의 국가 정책적 노력이 진행됨.
- 산업부산물의 재활용 현황은 국가산업 경쟁력의 척도가 되고 있음.

□ 천연점토 대체 및 가성비 향상 레드머드 세라믹 소재기술 개발
레드머드는 알루미늄의 제조과정에서 발생하는 부산물로써 국내에서 연간 28만톤이 발생되고 있지만 그 활용은 10%에 그치고 있음. 천연점토와 유사한 화학적 조성을 가지고 있어 건설용 세라믹 소재로 사용하면 대량 재활용이 가능한 부산물임.
- 천연점토를 대체하기 위한 레드머드의 전처리 기술 개발
- 레드머드 세라믹 소재의 기초성능 및 환경성 평가
- 가용성 염류 제어를 통한 레드머드 백화저감 기술 개발

□ 고효율 에너지 절감형 건축용 레드머드 세라믹 제품기술 개발
고온소결은 세라믹 제조 과정에서 대량의 에너지를 소비하는 공정이며, 세계적인 에너지 문제의 관점에서 에너지 절감형 건축용 세라믹 제품 제조기술이 필요함.
- 미연탄소 함유 발전소 부산물을 활용한 소성온도 저감 기술
- 전처리 과정에서 생성되는 Na2SO4(융점 강하제)을 활용한 소성온도 저감 기술
- 알루미노 실리케이트계 레드머드 세라믹 제조를 통한 저온소성 합성기술
- 건축용 레드머드 세라믹 제품 활용성을 위한 기초성능, 색채 및 감성평가
최종목표 본 연구의 최종목표는 산업부산물 레드머드를 활용하여 600~1100℃의 저온 소성온도에서 구조적으로 안정한 천연점토 대체 에너지절감형 건축용 레드머드 세라믹 제품의 원천기술을 개발하고자 함.

□ 천연점토 대체형 레드머드 세라믹 소재기술 [1차년도]
강알칼리성의 산업부산물 레드머드를 산에 의하여 중화 전처리 개질한 후 천연 점토 대체재로 사용하여 구조적으로 안정한 소성체인 레드머드 세라믹 소재를 개발하고자 함.
-레드머드 전처리 기술 및 환경성 평가
-소성온도에 따른 레드머드 소성체의 기초물성 평가
-천연점토 대체 레드머드 세라믹 최적배합도출
-천연점토 대체 레드머드 세라믹 소재의 백화저감 및 억제기술

□ 에너지 절감형 건축용 레드머드 세라믹 제품기술 [2차년도]
융점 강하제 및 미연탄소 산업부산물과 같은 소성 열효율 향상 보조재에 의한 900~1100℃의 소성온도 절감기술과 600~800℃의 알루미노실리케이트계 저온 소성 합성기술에 의한 에너지 절감형 건축용 레드머드 세라믹 제품을 개발하고자 함.
-전처리 개질에 의한 융점 강하제의 소성 온도 절감 기술
-미연탄소 산업부산물을 활용한 소성 온도 절감 기술
-알루미노 실리케이트계 레드머드 세라믹의 저온 소성 합성기술
-건축용 레드머드 세라믹 제품 적용 및 성능평가
연구내용 및 범위 □ 1차년도 개발 내용 및 범위

-레드머드 전처리 기술 및 환경성 평가
-소성온도에 따른 레드머드 소성체의 기초물성 평가
-천연점토 대체 레드머드 세라믹 최적배합도출
-천연점토 대체 레드머드 세라믹 소재의 백화저감 및 억제기술

□ 1차년도 세부 연구내용

？ 국내외 연구동향 조사 및 분석
-레드머드 재활용 관련 국내외 연구동향 조사
-KS, ISO, JIS, ASTM 등 국내？외 관련 표준(기준) 조사 및 분석
-국내？외 레드머드의 제조？활용？처리현황 및 기술자료 조사
？ 레드머드의 특성 분석 및 친환경 전처리 기술
-국내 레드머드의 로트별？분기별 품질특성 평가 및 분석
:성분, 입형, 입도, SEM, XRF, XRD 등
-강알칼리성 레드머드의 친환경 전처리 기술
:각종 산(염산, 황산, 질산, 인산 등)을 활용한 레드머드의 산처리 중화 기술
:폐산을 활용한 레드머드의 중화 기술
-전처리 기술을 적용한 레드머드의 환경성평가
:중금속용출량/토양오염분석(폐기물공정시험법-2011)
？ 세라믹 소재 소성을 위한 시편 제조 및 성능평가
-시편제조 물질 선정 및 배합 설정
:배합요인, 원료품질, 종류, 혼입율 등
-선정된 배합의 시간 및 소성온도 설정
:배합혼합시간, 숙성시간, 승온시간, 소성시간, 건조시간
-세라믹 소재의 기초물성 평가실험
:기공률, 흡수율, 압축강도, XRD, DTA/TG분석
？ 레드머드 세라믹 소재의 백화억제 및 저감기술
-백화시험방법의 정립
-레드머드 세라믹 소재에 의한 백화 메커니즘 규명
:기존 포틀랜트 시멘트와의 백화생성물질 비교평가
:알칼리염 용출특성
:백화생성물질의 SEM, XRD 분석
-레드머드 세라믹 소재의의 백화 억제 및 저감방안
:배합, 양생방법, 백화저감제 등에 의한 백화저감 특성

□ 2차년도 개발 내용 및 범위

-전처리 개질에 의한 융점 강하제의 소성 온도 절감 기술
-미연탄소 산업부산물을 활용한 소성 온도 절감 기술
-알루미노 실리케이트계 레드머드 세라믹의 저온 소성 합성기술
-건축용 레드머드 세라믹 제품 적용 및 성능평가



□ 2차년도 세부 연구내용

？ 융점강하제 및 미연탄소분 산업부산물을 활용한 소성에너지 절감기술
-레드머드 전처리 기술에 의한 융점강하제의 소결 효율성 검토
:온도별 특성 및 강도 검토
-미연탄소분 산업부산물의 원료 특성 및 반응성 분석
:바텀애시, 고칼슘플라이애시, 제지애시 등의 반응성 검토
-실내 배합실험을 통한 최적 제조 배합기술
:혼합비율, 종류, 첨가제 등에 따른 바인더의 물성평가
-배합에 따른 최적 소성온도 설정
:승온시간, 소성시간, 건조시간
-최적 샘플 제조 및 반응메커니즘 규명
:기공률, 흡수율, 압축강도, XRD, XRF, DTA/TG분석
？ 알루미노 실리케이트계 레드머드 세라믹의 저온 소성 합성기술
-Al-Si계 합성을 위한 원료 특성 및 반응성 분석
-실내 배합실험을 통한 최적 제조 배합기술
:혼합비율, 종류, 첨가제 등에 따른 물성평가
-배합에 따른 최적 소성온도 설정
:승온시간, 소성시간, 건조시간
-최적 샘플 제조 및 반응메커니즘 규명
:기공률, 흡수율, 압축강도, XRD, XRF, DTA/TG분석
？ 건축용 레드머드 세라믹 제품 적용기술 및 성능평가
-시편제조 물질 선정 및 배합 설정
:배합요인, 원료품질, 종류, 혼입율 등)
-선정된 배합의 시간 및 소성온도 설정
:배합혼합시간, 승온시간, 소성시간, 건조시간
-레드머드 세라믹 제품의 기초물성 평가실험
:기공률, 흡수율, 압축강도, XRD, DTA/TG분석
-건축용 레드머드 세라믹 제품의 기준 성능기준 조사
-건축 세라믹 제품의 성능평가
:흡수율, 압축강도, 치수안정성
？ 건축용 레드머드 세라믹 제품 색채 및 감성평가
-육안비색에 의한 측색 및 색차분석
-색채 계산법에 의한 색차분석
:배합량에 따른 색차분석
:소성온도에 따른 색차분석
-품질기준(안) 마련
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 주관연구기관 (우석대학교) : 천연점토 대체형 레드머드 세라믹 소재기술 개발 □ 개발 내용 및 범위

-레드머드 전처리 기술 및 환경성 평가
-소성온도에 따른 레드머드 소성체의 기초물성 평가
-천연점토 대체 레드머드 세라믹 최적배합도출
-천연점토 대체 레드머드 세라믹 소재의 백화저감 및 억제기술


□ 세부 연구내용

？ 국내외 연구동향 조사 및 분석
-레드머드 재활용 관련 국내외 연구동향 조사
-KS, ISO, JIS, ASTM 등 국내？외 관련 표준(기준) 조사 및 분석
-국내？외 레드머드의 제조？활용？처리현황 및 기술자료 조사
？ 레드머드의 특성 분석 및 친환경 전처리 기술
-국내 레드머드의 로트별？분기별 품질특성 평가 및 분석
:성분, 입형, 입도, SEM, XRF, XRD 등
-강알칼리성 레드머드의 친환경 전처리 기술
:각종 산(염산, 황산, 질산, 인산 등)을 활용한 레드머드의 산처리 중화 기술
:폐산을 활용한 레드머드의 중화 기술
-전처리 기술을 적용한 레드머드의 환경성평가
:중금속용출량/토양오염분석(폐기물공정시험법-2011)
？ 세라믹 소재 소성을 위한 시편 제조 및 성능평가
-시편제조 물질 선정 및 배합 설정
:배합요인, 원료품질, 종류, 혼입율 등
-선정된 배합의 시간 및 소성온도 설정
:배합혼합시간, 숙성시간, 승온시간, 소성시간, 건조시간
-세라믹 소재의 기초물성 평가실험
:기공률, 흡수율, 압축강도, XRD, DTA/TG분석
？ 레드머드 세라믹 소재의 백화억제 및 저감기술
-백화시험방법의 정립
-레드머드 세라믹 소재에 의한 백화 메커니즘 규명
:기존 포틀랜트 시멘트와의 백화생성물질 비교평가
:알칼리염 용출특성
:백화생성물질의 SEM, XRD 분석
-레드머드 세라믹 소재의의 백화 억제 및 저감방안
:배합, 양생방법, 백화저감제 등에 의한 백화저감 특성
연구성과 기술적 기대성과 □ 온실가스 저감기술에 기여
- 온실가스 저감기술은 기후변화 및 자연재해, 재난위험, 에너지 및 자원고갈, 제조업 혁명과 같은 환경 및 경제 분야의 이슈와 밀접한 연관이 있음.
- 우리나라의 산업은 대부분 석유와 같은 화석에너지의 사용을 전제로 발전되어 왔고 제조업의 기붕이 상대적으로 높기 때문에 다양한 온실가스 저감기술의 개발이 반드시 요구됨.
- 특히, 건설산업에서은 제조산업의 다양한 생산품이 활용되는 분야로서 대표적인 온실가스 배출 산업이며 적극적인 온실가스 저감 대책이 요구되는 분야임.
- 온실가스의 저감기술은 에너지 효율의 향상기술과 저탄소 기술로 나눌 수 있으며 본 연구개발 기술은 산업부산물의 연로화와 부산물의 재자원화 기술로서 두 가지 측면의 온실가스 저감기술에 해당하는 기술임.

□ 산업부산물의 업싸이클링(Up-cycling) 기술 개발 촉진에 기여
- 재활용율 15%정도의 레드머드 슬러지를 건축용 세라믹 소재로 가치상향 업사이클링 기술을 확보함으로써 미활용 부산물의 재활용 촉진 기술에 기여.
사회 경제적 파급효과 □ 국내 알루미나/알루미늄 산업의 국제경쟁력 강화
- 런던의정서(2006년 발효)에 따라 산업폐기물 등의 해양배출은 국제적으로 금지되고 국내에서도 2006년부터 해양배출을 단계적으로 금지해 왔으며, 2015년 12월 31일 산업폐수？폐수오니를 마지막으로 2016년 1월 1일부터 육상 폐기물의 해양배출이 전면 금지하고 있음.
- 이에따라 제조과정 중에 부산물이 다량 발생되는 제조산업의 경우 부산물의 재활용기술이 제조산업 경쟁력이 되는 시대로 전환됨.
- 알루미나/알루미늄 산업은 보오크사이트 1.5톤이 생산공정을 거쳐 수산화알루미늄 1톤과 부산물인 레드머드 1톤이 발생되며, 국내의 경우 연간 28만톤의 레드머드가 발생되는 부산물 다량 제조산업임.
？ 알루미나/알루미늄 산업은 레드머드의 적절한 처리방법을 모색하지 못할 경우, 부산물로 인한 산업전환이 불가한 상황이 되어 가격 경쟁력이 저하하고 저가로 대표되는 중국시장에 잠식될 수 있는 환경에 놓여있음.

□ 수출입 효과
- 국내 건축 도자 타일류의 세라믹 산업은 2014년 기준 수입의존성이 큰 제품이며, 저가의 중국산에 전체 수입액의 75%를 차이차고 있음. 최근 삶의 질 향상에 따라 기능성 건축내장재 타일로 전환이 빠르게 진행되며, 국내 시장의 가격 경쟁이 심화될 것으로 예측.
- 소비자의 환경친화적 소비경향이 증가할 것으로 예측되며, 건축도자타일 분야에서 중국산을 대체함으로써 수입량 절감에 효과가 있을 것으로 판단됨.
- 점토벽돌산업은 내수시장의 점유율이 90%이상임으로 내수시장 지배력을 지속적으로 가질 수 있을 것으로 판단되며, 최근 흙을 원료로하는 점토벽돌에 대한 건축시장에서의 수요가 증가하면서 에너지 절감 및 자원재활용 인식의 전환에 따라 개발제품의 활용 증가가 예측됨.
- 리모델링 건축 시장 성장에 따라 점토벽돌 시장은 다양한 제품에 대한 수용가 증가할 것으로 전망되며, 현대식 설비 및 기술개발을 통한 국내 점토벽돌 업체의 글로벌 제품 경쟁력 확보가 가능할 것으로 판단됨.

□ 산업부산물 재활용에 의한 폐기비용의 절감효과
- 레드머드를 건축 세라믹 기초 소재로 사용함에 따라 대량의 재활용이 가능하며 매립처리비용의 대폭적 절감가능.
- 천연점토 50% 대체시 연간 28만톤의 레드머드가 재활용 가능하며, 폐기처리 비용절감에 따른 경제적 효과는 같음.

28만톤/년
×
8.5만원/톤
=
238억원
(레드머드의 재활용량)

(레드머드의 매립처리비용 )

폐기물 처리비용 절감효과


□ 소성에너지 절감에 의한 경제적 효과
- 산업부산물의 보조에너지 활용에 따른 경제적 효과

6억장/년(a) × 2.0kg/장(b) × 40%(c)
×20%(d) × 407000kJ/kmol(e) × 774원/L(f)
=
640억원/년
9400Kcal/L(g) × 12kg/kmol(h) × 4.184kJ/Kcal

여기서,


(a) 연간 벽돌소비량, (b) 벽돌의 질량, (c) 산업부산물 사용량,
(d) 산업부산물의 탄소함량, (e) 연소시 탄소의 발열량,
(f) 벙커A유 원가, (g) 벙커A유 발열량, (h) 탄소

□ 천연자원의 절감 효과
- 현재 국내의 점토벽돌 시장은 약 2400억원이며 생산량은 연간 약 12억장 규모임.
- 기본문헌으로부터 점토벽돌에 사용되는 천연점토의 사용량 중 50%를 레드머드로 대체하는 것으로 가정하였을 때, 연간 60만톤의 천연자원을 절약할 수 있음.

□ 산업부산물 자원화 효과
- 레드머드의 건축세라믹 소재 활용기술은 산업폐기물을 사용하여 제조하므로 산업폐기물 자원화로 처리 비용이 절감되는 등 국가 예산 절감에 기여 .
？ 현재 대부분 매립？폐기되고 있는 레드머드와 각종 산업부산물을 자원화하여 대량 활용함으로서 매립？폐 기량을 대폭 절감 (환경부하 저감효과).
- 각종 산업부산물(폐기물)의 안정적 처리 및 순환자원화 기술을 통해 환경오염의 최소화 실현.
- 환경부하가 매우 높은 시멘트나 생석회 등 천연원료의 사용을 최소화하여 국제환경정책(기후변화협약 등)에 능동적으로 대응.
- 무분별한 석회석 채굴에 의한 자연훼손이나 천연자원고갈 문제에 대응.
활용방안 □ 레드머드를 재활용 자원으로 사용하기 위한 기초자료로의 활용
친환경 제품으로 재활용하기 위한 레드머드의 경제적 제조기술로 활용
- 레드머드는 연간 약 28만톤이 발생하고 있으나, 대부분 매립？폐기되거나 성토 등 단순용도로만 사용 되고 있으며, 이 중 약 1%(2,500톤/년)만이 고부가가치 건설소재로 활용되고 있음.
- 국내 폐기물의 평균 재활용율은 2015년 기준 85%에 이르고 있으나, 레드머드의 높은 pH 및 유해물질 포함의 인식에 의해 레드머드의 경우 전체 재활용율은 15%로 재자원화 기술의 개발이 시급한 분야임.
- 연구개발 결과로부터 레드머드의 환경 안전성을 확인하고 건설분야의 기초소재로서의 기본성능을 확인함으로써 레드머드의 재활용율 증가를 위한 기초자료로 활용.

□ 에너지 절감형 건축 세라믹 제조 기술로 활용
소성온도 절감 및 저온소성 합성기술에 의한 에너지 절감형 건축용 세라믹 제조 기술로 활용
- 세라믹 산업은 첨단기술 소재로 관심 받고 있으나, 소온 소결과정이 필수적이므로 대량의 화석연료가 소비되는 등, 에너지 절약관점에서 한계가 있음.
- 전처리한 레드머드에 생성된 융점강하제와 석탄회에 포함된 미연탄소를 보조연료로 사용하여 소성온도는 낮춤으로써 화석연료 사용량 감소에 따른 에너지 및 온실가스 발생 저감 효과가 발생함.
- 레드머드의 화학적 구성에 따라 알루미노 실리케이트계 세라믹 기술로 활용할 수 있으며, 저온 합성기술을 통해 저온소성 건축 세라믹 제조가 가능하므로 에너지 절감형 건축 세라믹 제조 기술로 활용 가능함.

□ 건축용 세라믹에서의 천연자원 절약 기술로 활용
천연점토와 유사한 특성을 갖은 레드머드를 건축용 세라믹 소재료 활용함으로써 천연자원 절약 기술로 활용.
- 벽돌, 시멘트, 위생도기, 유리, 타일, 내화물로 대표되는 건축용 세라믹의 제조에 사용되는 주요 원료는 고령토, 점토, 장석 등의 천연자원이 사용됨.
- 국내 천연자원이 고갈되어 감에 따라 천연광물을 대체할 수 있는 원료의 확보가 시급함.
- 본 연구개발을 통해 레드머드를 천연점토 대체 건축용 세라믹 소재로 개발함으로써 연간 28만톤의 천연점토를 절약할 수 있음.

□ 기타 활용방안
- 레드머드 활용 촉진을 위한 기술(제품) 표준화 및 규격화 자료로 활용.
- 산업분야에서 순환자원 활용도 증진 및 이에 따른 이산화탄소 총량규제(에너지비용절감)나 환경부하저감의 대응기술로 활용.
- 각종 산업재산권 등 원천기술의 확보 및 기술보호에 활용.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 레드머드 점토 세라믹 저온소성 에너지절감
영문 redmud clay ceramic Low Temperature Cofired energy saving
최종보고서
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최종보고서 에너지 절감형 천연점토 대체 건축용 레드머드 세라믹 제품 원천기술 개발 최종보고서(우석대학교_강석표).pdf   다운로드

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