우리나라의 경우 1990년대부터 환경오염문제의 사회화가 배경이 되어 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 1998년부터 배기가스의 탈황공정이 가동되어 화학석고가 발생하기 시작하였는데 이것이 화력발전소에서 부산물로 나오는 배연탈황석고이다. 국내의 석탄화력 발전소에 설치된 탈황설비는 흡착재로 석회석 분말을 사용하고 부산물로 석고를 생성하는 습식공정으로서, 배연탈황석고는 이수석고(CaSO4⋅2H2O)로 생성되는데, 인산석고와 비교할 때 pH가 중성이며 높은 순도의 균일한 품질을 가지고 있어 발생 전량이 시멘트 및 석고보드 원료로서 재활용되고 있다. 한편 최근 그 수요가 증가하는 고강도콘크리트 혼화재, 슬래그 시멘트에 사용하기 위하여 년간 30만톤 이상 수입되고 있는 천연무수석고는 우리나라에 광물로 부존하지 않는다. 선진국과 마찬가지로 배연탈황 석고가 전량 수입되고 있는 천연석고를 대체할 수 있다는 장점에 대하여 충분히 인식함에도 불구하고, 아직까지 전반적인 기술 기반의 취약성 및 인력 부족으로 석고보드 제조 등 초보적인 수준에 머물러 있으나 최근 콘크리트 혼화재료 제조기업은 중국의 값싼 제품으로 인해 가격 경쟁력을 상실하고 있어 미래 경쟁력 있는 분야로의 전환을 위해 배연탈황 석고를 이용한 고부가성 건설재료 제조 기술에 관심을 가지기 시작하고 있다. 이에 본 연구에서는 지속가능 친환경-고성능 건설용 복합재료의 생산 및 이의 활용 기술을 적극적으로 개발하고자 인공신경망 모델을 활용한 배연탈황석고 모르타르의 배합조건과 물리적 결과값의 데이터를 다양한 알고리즘에 적용하여 이의 분석과 예측의 정확성을 판별하여 기초데이터로 제공하고자 한다.

우리나라의 모든 석탄화력 발전소 탈황공정은 흡수재로 석회석 분말을 사용하는 습식 처리공정으로서 공정의 부산물로 FGD(배연탈황)석고가 발생하는데 석회석 분말 1kg 주입 시 약 1.5kg에서 1.7kg의 배연탈황석고가 이수석고(Calcium Sulfate Dihydrate, CaSO4･2H2O)형태로 발생한다고 알려져 있다. 배연탈황석고는 황산칼슘의 농도는 높고 불순물은 적은 편으로 품질면에서는 천연석고에 비해 크게 뒤지지 않지만 결정구조가 대부분 둥근 침상구조를 형성하고 부분적으로 판상의 결정을 나타내고 있어 천연석고처럼 수화반응에 의해 자경성(self-setting)을 가지지 못하므로 대부분 시멘트의 원료로 사용되고 그 중 일부는 석고보드에 제한적으로 활용되고 있는 실정이다. 따라서, 배연탈황석고 그 자체로만은 현재 고부가가치가 있는 원료로서는 활용되기 어려운 실정이고 대부분 천연무수석고가 사용되고 있으며 이는 고가의 수입에 전량 의존하고 있다. 이에 따른 배연탈황석고의 향후 발생량은 200만 톤을 상회할 것으로 추정할 경우 기존의 단순 재활용에서 이의 부가가치가 높은 건설재료로의 활용이 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 천연석고와 시멘트를 대신하여 배연탈황석고 및 고로슬래그 미분말 등의 산업부산물을 주원료로 고강도 콘크리트 혼합재로 활용하고자, 배연탈황석고의 원시료 분석 및 배연탈황석고, 고로슬래그미분말의 혼입률에 따른 유동성, 증기양생 조건에서의 강도발현 특성 등의 물성평가를 진행하였다. 연구결과 배연탈황석고를 혼합재로 활용 시, 그 혼입률에 따라 모르타르의 유동성이 다소 감소하는 경향을 나타내었으나, 증기양생 시 초기 압축강도발현성이 우수하였으며, PHC-Pile, 박스암거 등 콘크리트 2차 제품으로 활용시 환경적･경제적으로도 그 효과가 매우 기대된다.

해수면 상승과 같은 이상 증후는 지구온난화로 인해 발생되는 것으로 해석되고 있으며, 온실가스 중의 이산화탄소 양의 증가가 지구온난화의 주된 원인으로 여겨지고 있다. 이산화탄소를 저감하기 위한 노력으로 이산화탄소 포집, 저장 및 전환과 같은 다양한 방면의 연구 및 실증이 행해지고 있다. 광물탄산화법은 Ca- 혹은 Mg- 실리케이트 광물들이 오랜 시간동안 이산화탄소와 반응하여 탄산염 광물로 전환되는 자연 풍화작용을 모방한 방법이다. 그러므로 Ca 혹은 Mg과 같은 2가 양이온을 포함하는 천연광물 뿐만아니라 산업부산물을 출발 물질로 사용한 연구 또한 폭넓게 진행되고 있다. 본 연구에서는 황갈색의 배연탈황석고를 이용하여 탄산화반응을 적용하였다. 배연 탈황석고는 화력발전소에서 황산화가스 제거를 위한 시스템에서 발생되는 부산물이다. 암모니아수를 이용한 배연탈황석고 탄산화반응의 주된 생성물은 출발 물질인 배연탈황석고의 불순물들을 그대로 포함한 탄산칼슘과 상대적으로 순도가 높은 황안이다. 물에서 높은 용해도를 갖는 황안은 용액으로 회수되기 때문에 상대적으로 높은 순도를 보이는 것으로 추정된다. 본 연구에서는 고순도 탄산칼슘 합성 가능성을 확인하기 위해 직접 탄산화법을 이용하여 탄산칼슘이 결정화 되기 전인 유도시간을 이용하였다. 이산화탄소 양과 암모니아 수용액의 농도 비를 이용하여 탄산칼슘 결정화 시간을 조절하는 것이다. 이와 같이 탄산칼슘이 용액으로 상당 시간 존재할 수 있는 이유는 이산화탄소 양에 비해 암모니아 양이 과량으로 존재할 때 생성되는 카르바메이트(carbamate, CO2NH2-) 때문으로 유추되었다. 카르바메이트는 탄산염 혹은 중탄산염 이온보다 반응성이 낮으므로 탄산칼슘으로 과포화된 용액에서 탄산칼슘의 결정화를 지연시키는 역할을 하는 것이다. 이러한 탄산칼슘으로 과포화된 용액을 여과 분리하여 결정화 과정을 진행한 결과 둥근 형태의 바테라이트 형상의 고순도 탄산칼슘이 형성되었다.

고로슬래그는 선철 과정 중 고로에서 발생되는 대표적인 부산물이다. 이러한 고로슬래그는 건설재료 중심으로 다방면에 사용되고 있으며, 그 사용량은 급격하게 증가하는 추세이다. 일반적으로 시멘트 혼합재로 사용되는 슬래그는 급랭슬래그이며, 동일 조성을 갖는 서랭 슬래그라 하더라도 자유에너지가 낮아 물질 자체가 안정하여 반응성이 매우 낮기 때문이다. 급랭(수쇄) 슬래그는 준안정 상태로 존재하기 때문에 외부의 자극에 따라 쉽게 새로운 반응 생성물 또는 수화물로 변화하는 특징을 갖는다. 그러나, 슬래그 자체의 활성화가 초기에 손쉽게 이루어지지 않아, 시멘트 초기 강도저하 및 응결 지연 등을 일으키는 단점을 갖고 있다. 이러한 이유에서 시멘트 자극제로서 석고류(황산염 등)가 일반적으로 사용되고 있으며, 이는 슬래그의 5% 수준이다. 일반적으로 슬래그 자극제로서 슬래그시멘트의 초기 강도 보완을 위해 천연무수석고가 사용되고 있으며, 이는 고가의 수입산(태국, 중국)에 전량 의존하고 있다. 이에 대한 방안으로 화력 발전소의 산업부산물인 배연탈황석고를 일부 사용하고 있으나, 초기 강도 보완이라는 목적을 충분히 달성할 수 없는 실정이다. 배연탈황석고 사용으로 인한 초기 강도 개선을 위해 황산염과 알칼리 성분인 CaO 성분이 다량 함유된 열병합발전소 Fly-Ash와 유리생산공정의 부산물인 망초를 알칼리자극제로 혼합 사용하여, 수입에 의존하던 천연무수석고의 대체 사용으로 고부가가치자원화 및 천연 자원의 절약 또한 가능하다. 수쇄슬래그는 물과의 반응이 매우 느리게 진행되지만 알칼리 분위기에서는 수화활성을 나타내므로, 재활용 가능한 열병합발전소 Fly-Ash 및 폐기되는 망초를 활용함으로써 고로슬래그의 알칼리 자극제로 이용 가능하다. 따라서 본 연구에서는 슬래그 자극제 개발에 따른 슬래그 활성화 조건 도출과 수입산 천연무수석고 대체 사용 방안으로 화력발전소 배연탈황석고, 열병합발전소 Fly-ash, 유리산업의 망초를 기본 원료로 하는 석고 대체재(혼합석고) 개발을 실시하고자 한다.