| 연구개발개요 |
1. CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 개요- CaO·Al2O3·Fe2O3 3성분계 재료는 700~1,200℃ 범위에서 생성되나, 그 phases는 2CaO·Fe2O3에서부터 4CaO·Al2O3·Fe2O3 및 6CaO·2Al2O3·Fe2O3까지 다양한 조성의 solid solution이 존재하게 된다. 참고 ; CaO·Al2O3·Fe2O3 3성분계 재료 생성 온도 및 생성 상(phases)- CaO·Al2O3·Fe2O3 3성분계 재료는 cubic system으로서, C3AH6-C3FH6 series 라 하는 garnet-hydrogarnet series와 hexagonal system인 C4AHn-C4FHn series로 수화반응이 구분되는데, 어느 series나 명확하게 밝혀진 바는 없으나, H2O에 의한 수화반응과 CO(or CO2)에 의한 탄산화 반응이 가능할 것으로 알려져 있다. 2. Calcium Carbo-Ferrite 생성에 의한 CO2 capture 개요- 불순물의 확산은 재료 과학에서 가장 중요한 현상 중의 하나라고 할 수 있다. CO2 역시, CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 경화체 내부로의 확산은 매우 중요한 이론 중의 하나라 할 수 있다. - CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계에서 어느 일정한 화학적 농도 범위에서는 강하게 carbonation 반응이 진행되면서 CO2를 흡착 및 고정화 할 수 있다. CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계의 carbonation에 대한 모식도에서 일정한(그림 ①~⑨) 영역에서는 강하게 carbonation이 발생하면서 CO2를 흡착하여 고용체(solid solution)를 생성하게 된다. 참고 ; CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 CO2와의 상평형도3. 따라서, 본 연구에서는 mole 농도별 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물을 합성하고, CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 경화체에 CO2를 흡착 및 고정화함으로써 건설재료 분야에서의 이산화탄소 처리를 위한 이론을 확립하고자 한다. 4. CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물은 생성 온도가 약 700~1,200℃ 범위로서, 열역학적으로 불안정한 상태로 존재하게 된다. 불안정한 상태의 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물은 외부에서 일정한 이온의 침투 확산으로 염(salts), 또는 수화물(hydrates)를 형성함으로써 안정한 상태의 화합물로 전환되는 특성이 있다. 5. CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물에 외부에서 CO2가 확산하여 침투하면 다음과 같이 진행된다. 따라서, CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물은 매우 유용한 CO2 capture형 재료로 활용할 가능성이 매우 우수한 화합물이라 할 수 있다.6.CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물에 외부에서 CO2가 확산하여 침투하는 메커니즘은 Fick's 2nd law의 semi-infinite model을 따르게 된다. 초기에 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 경화체 표면에서의 농도는 C=0가 되나, 시간이 경과할 수록 CO2가 외부에서 내부로 침투하여 확산하면서 염을 생성하게 된다.
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| 최종목표 |
“CO2 흡착/고정화 효율 20% 이상인 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 합성 및 이를 이용한 CO2 흡수용 시멘트 콘크리트 기술” 1차년도 ; CO2 흡착형 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 합성 및 합성 조건 확립(1차년도)1) 연구개발 목표- 저급 석회석/소석회 슬럿지 또는 재활용 가능 비산재 원료 선택- 원부재료에 따른 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 최적 합성 조건 확립- CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 합성수율 50% 이상2) 최종 성과물- 특허 출원 1건- 논문 1건(SCI(E) 1건)- CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 제품 샘플2차년도 ; 합성 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 20wt% 이상 시멘트 콘크리트 적용 기술(2차년도)1) 연구개발 목표 - OPC 대비 압축강도율(B;S=1:3 mortar 기준) 100±10% 확보 - CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물에 의한 CO2 흡착 mechanism 확립 (Fick’s 2nd Law, semi-infinite model) - CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물에 의한 OPC 경화체 대비 CO2 흡착율 20%이상 2) 최종 성과물 - 특허 출원 1건, 등록 1건 - 논문 1건(SCI(E) 1건) - CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 적용 시멘트 모르타르에 대한 공인기관 성적서 - CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 적용 시멘트 모르타르에 대한 녹색기술 인증
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| 연구내용 및 범위 |
1. CO2 흡착형 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 합성 및 합성 조건 확립(1차년도)？ 선행연구 자료조사CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 선행 연구 검토/분석CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 합성 조건 검토/분석？ 목표성능 설정CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 합성용 원료의 선정 및 배합설계- CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물합성을 위한 원부재료 조건 확립(CaO 함량 기준)폐석회석 슬럿지, 폐알루미나, 자철광 미분, 기타- 저급 석회석(CaO 45% 이하)- 재활용 가능 비산재(CaO, CaSO4 함유) 원료 선택CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 합성 조건 확립(화합물 조성, 온도, 시간, 기타)- 최적 합성을 위한 소성 조건(온도 및 schedule) 확립 실험 및 확립CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 최대 생성 수율 확보CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 최대 생성 조건 확립 및 반응 해석？ 성능시험합성 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 생성 수율 확인(50% 이상)합성 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 물성 실험 ; 일반 OPC 및 고로슬래그/플라이애시 대비 (경화특성-수화열, 압축강도, porosity, XRD, SEM 등)합성 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 CO2 흡착 실험 ; (CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 사용량에 따른 CO2 흡착량)- CaO-Al2O3-Fe2O 3성분계 화합물의 수화특성 실험 및 수화 mechanism 확립- CaO-Al2O3-Fe2O 3성분계 화합물의 CO2 흡착 반응 mechanism 해석2. OPC 기준 합성 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 20wt% 이상 적용 기술(2차년도)？ 시제품 제작Pilot 소성로 사용(외부 기관) ; CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 시제품 제작(200kg)CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 Pilot 시제품 합성 수율 분석？ 목표성능 설정 ; (시멘트 모르타르 및 콘크리트 대상)- CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 OPC 치환율에 따른 paste /mortar 물성 실험CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 시제품의 OPC 대비 치환량 설정(10, 20, 30wt%)- CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 OPC 대비 최적 치환 사용율 확립CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 시제품의 치환량 적용 실험(OPC 대비 압축강도 100±10%)CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 시제품의 치환량에 따른 CO2 흡착효율 20%？ 시제품 물성 실험CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 시제품의 치환량 설정(10, 20, 30wt%)에 따른 물성실험압축강도 및 CO2 흡착 효율 및 경화체에서의 재령에 따른 CO2 재용출 특성CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 시제품의 OPC 대비 치환량 설정(10, 20, 30wt%)에 따른 CO2 확산 실험- 시멘트/콘크리트 확산에 대한 “k” 상수를 적용한 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 적용 시멘트 경화체의 확산계수 해석- CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 적용 시멘트 경화체의 확산/흡착 mechanism 확립 ？ 메커니즘 해석- 시멘트/콘크리트 확산에 대한 “k” 상수를 적용한 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 적용 시멘트 경화체의 확산계수 해석- CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물 적용 시멘트 경화체의 확산/흡착 mechanism 확립 합성 CaO-Al2O3-Fe2O3 3성분계 화합물의 OPC 대비 치환량에 따른 시멘트 경화체에서의 CO2 확산 모델 해석(콘크리트 확산 상수“k”값에 따른 해석)Fick’s 2nd Law, Semi-infinite model에 의한 경화체 내부로의 CO2 침투 및 확산 메커니즘 해석 ; Diffusion profile in OPC mortar of constant cross section area, considering only the right hand side of the figure.
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