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.

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.

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.

In this study, the recycling water that produced during remicon manufacturing was activated by desulfurization gypsum, and then mortar with activated-sludge was made. As a result, possibility of activated-sludge in remicon was verified via flow and compressive strength test.

대한민국에서 소모되는 광물은 대부분 수입에 의존하고 있으며, 수출입 통계에서 확인된 양은 전체 사용량의 약 97%를 차지하고 있다. 이렇게 수입된 천연 광물들은 국내에서 필요한 물질로 사용하기 위하여 물리적 화학적 처리 혹은 분쇄나 파쇄하는 과정을 거치게 되면서 다양한 형태의 무기성 광물 잔재물(석탄재, 슬래그, 폐석고, 광재류 등)로 발생되어 이를 처리해야 하는 문제를 야기시키고 있다. 폐기물을 배출하는 사업자는 발생된 폐기물을 단순 육상매립이나 해양배출로 처리하는 것보다는 여러 가지 용도로 재활용 하려는 노력을 하고 있으나 실재로 재활용에 적용되어 처리되는 양이 적거나 매우 한정적이며, 재활용되는 부분을 제외한 대부분의 양이 육상매립이나 해양배출 혹은 사업장 내에서 적치시켜 보관하고 있어 폐기물 관리에 많은 비용을 소요하고 있다. 또한 2016년부터 광물성 폐기물은 해양배출이 전면 중지될 예정이고 매년 육상 매립 되는 폐기물의 종류나 양을 줄이고 있는 실정이기에 기관 및 대학에서는 폐기물을 재활용하기 위한 연구를 매년 진행하여 새로운 재활용용도 및 방법을 제시하고 있지만 실제로 적용되기에는 여러 가지문제(재활용시설의 부재, 재활용 된 제품의 수요처 부족 등의 이유)로 인하여 이전부터 재활용 되었던 용도로만 적용하여 재활용 되고 있는 실정이다. 우리나라에서 적용되고 있는 ‘폐기물 관리법’에서 폐기물 재활용용도를 설정하고 개정하면서 재활용 방법과 특정 기준을 지정하고 있지만 폐기물의 종류에 따라 고유의 데이터를 기초하여 검토되어야하기 때문에 폐기물처리의 목적 및 사용 방법의 설정 처리에 오랜 시간과 예산이 요구된다. 재활용의 사용 목적은 기능성 측면과 환경적 측면에서 고려되고 있기 때문에 기능적 측면에서는 제품의 특성에 따라 다양화 될 수 있지만, 환경측면적인 재활용에서는 폐기물이 환경에 미치는 영향과 특성을 고려하여 재활용 표준을 구체적으로 제시하지 않기 때문에 다량으로 폐기물을 재생하거나 새로운 폐기물에 대한 재활용 표준이 적용되는 경우에 따라서 환경 특성의 평가를 위한 방법론적인 문제가 발생 될 수 있다. 본 연구에서는 표준 재활용의 필요성을 인식하고, 세 종류의 석고 폐기물(인산, 티탄, 탈황)의 재활용에 관하여 환경기준과 새로운 재활용용도를 제안하기 위하여 연구되었다. 연구 순서는 첫 번째로 세 가지 유형의 석고폐기물을 선정하고, 두 번째로 폐기물 발생 사업장을 선정 및 샘플 채취, 세 번째로 채취된 샘플을 특성(pH, 중금속 함량, 수분 함량, 유해물질 함량 등)을 조사하여 세 가지 석고 폐기물에서 발생되는 유해물질을 확인하여 신규 관리 항목 추가 및 국외 재활용 사례들과 비교하여 국내에서는 적용되지 않은 새로운 재활용 용도를 제안하였다.

탈황석고는 화석연료를 사용하는 화력발전소나 정유사 등 연소 시 배출되는 배기가스로부터 황산화물(SOx)을 화학반응으로 고정함으로써 얻어지는 부산석고이다. 탈황석고는 품질이 우수하기 때문에 석고보드나 시멘트 등의 원료로 재활용되고 있다. 탈황석고를 석고 대체 자원으로서 활용함으로써 경제적 효과와 자원순환 정책지원 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 현재 재활용 되는 탈황석고에 대한 국내 유해성 연구는 많지 않다. 이에 본 연구에서는 배연탈황공정(Flue Gas Desulfurization: FGD)에서 탈황석고를 배출하는 국내 화력발전소와 원유정제 처리업 중 업체를 선정하여 현지조사와 시료 7개를 채취 하였다. 탈황석고의 유해특성을 파악하기 위해 중금속의 용출･함량 분석을 하였다. 탈황석고의 중금속(As, Cd, Cr, Cr+6, Cu, Hg, Pb)과 시안화합물 8항목 용출분석결과, 모든 시료는 국내 폐기물공정시험기준 유해물질 기준보다 기준 이하로 조사되었다. 중금속(As, Cd, Cr, Cr+6, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn)과 시안화합물 10항목 함량분석결과, 국내 토양오염우려기준과 비교하여 니켈을 제외한 9항목 모두 기준이하로 검출되었고 니켈은 1개 시료에서 토양오염우려기준 1지역, 2지역 수치보다 높게 검출되었으나 3지역 기준 이내로 나타났다. 조사된 탈황석고의 중금속과 시안화합물은 국내 용출･함량관리기준 이내로 검출되어 석고보드나 시멘트 등으로 재활용시 환경유해성은 적은 것으로 판단된다.

탈황석고는 화석연료를 사용하는 화력발전소와 정유공장 등에서 연소시 배출되는 배기가스로부터 황산화물(SOx)을 화학반응으로 고정함으로써 얻어지는 부산석고이다. 발생하는 탈황석고는 품질이 우수하기 때문에 석고보드나 시멘트 등의 원료로 재활용 판매 처리되고 있다. 하지만 현재 재활용되는 탈황석고에 대한 적절한 관리체계가 미흡하고 이에 대한 품질 기준 및 관련 근거 법령이 미흡한 실정이다. 이에 본 연구는 국내에서 발생되는 탈황석고의 재활용 안정성과 유해물질 특성을 조사하고자 하였다. 시료는 탈황석고 배출량이 높은 순으로 선정하여 국내 화력발전소에서 채취하였으며 폐기물관리법상 규제 유해 중금속 6종(Cr, Cu, Cd, Pb, As, Hg) 및 시안화합물에 대한 용출특성에 관해 조사하였다. 그 결과, 유해 중금속 6종 중 비소(As)의 경우 0.006~0.015 mg/L로 검출 되었으나 폐기물관리법에 따른 유해물질의 기준(1.5mg/L)보다 낮은 수치를 나타내 유해성을 보이지 않았다. 비소를 제외한 5종 유해 중금속(구리, 크롬, 카드뮴, 납, 수은)은 정량한계 미만으로 검출되어 모든 시료에서 불검출로 나타났다. 시안화합물의 경우 폐기물관리법에 따른 정량한계(0.01mg/L) 미만으로 모든 시료에서 불검출로 나타났다. 이와 같은 결과로 국내 화력발전소에서 배출되는 탈황석고의 유해 물질의 용출특성이 낮아 재활용함에 있어 안전한 것으로 판단되며 석고보드나 시멘트 등 재활용으로 적합하고 재활용 확대 가능성도 고려해 볼 수 있다.

최근 들어 건축물의 규모 및 범위가 확대되어 각 구조물 부재의 크기가 커짐에 따라 건조수축 균열 발생확률이 증가하는 한편 콘크리트 제조용 원재료의 품질은 열악해지고 있는 상황이고, 레미콘의 경우도 작업성의 향상을 위해 단위수량을 증가시키는 등 여러 가지 원인으로 건조수축 균열발생에 의한 품질저하 문제가 자주 대두되고 있다. 이러한 건조수축을 개선하기 위해서는 경화 시에 적당한 팽창성과 chemical prestress를 부여하여 수축량을 보상해 주는 방법이 있는데 이러한 팽창반응을 일으키는 물질로는 칼슘설포알루미네이트(CalciumSulfoAluminate, 3CaO·3Al2O3·CaSO4)가 매우 효과적이며 이는 수화반응으로 에트린가이트(Ettringite, C3A·CaSO4·32H2O)를 생성하여 시멘트 몰탈 및 콘크리트를 팽창시키고 미세공극을 충진 함으로서 이의 첨가로 시멘트 콘크리트에 조강성, 팽창성, 고강도성 등의 우수한 특성을 부여 할 수 있으며, CSA클링커의 합성에는 석회질 원료, 알루미나질 원료 및 석고가 필요한데 이들은 모두 산업 부산물 및 폐기물로 대체 가능한 것이다. CSA는 1970년대 일본의 電氣化學工業에 의해 개발되어, 이후 중국의 Beijing Polar Bear Materials 등 몇몇 기업에 의해 상업생산이 이루어지고 있다. 한국의 경우, 특수시멘트 수요의 증가로 개발요구가 늘어나면서 1990년대 이후 석회석, 굴패각, 명반석, 폐촉매 등을 활용한 몇 차례의 CSA 개발이 이루어졌지만 원재료 조달, 운반비용, 소성 등 제조비용의 문제로 일본 및 중국업체 제품에 경쟁력을 갖추기 어려워, 현재 상업적인 국내 생산은 이루어지지 않고 있는 실정이다. CSA는 토목･건축용 재료의 속경, 조강, 팽창성 물성 발현제품의 용도로 다양하게 사용될 수 있으나 국내생산의 미비로 대부분 중국산으로 수입되고 있는 실정이다. 중국산 클링커의 연간 수입규모는 10,000톤 내외이며, 수입액은 30 ~ 35억원 정도이다. 건설재료 시장에서 CSA가 차지하는 시장규모는 1% 미만으로 경기변동에 따른 영향이 적은 편이다. 그러나 교량, 터널 등 고난도의 공사가 늘어나고 있고 그동안 높은 가격 때문에 사용량이 제한되어 왔음을 감안할 경우 잠재수요는 상당할 것으로 판단된다. 본 CSA 생산기술은 정유공장의 탈황석고와 알루미늄 주물업체의 폐알미늄 드로스를 주 원료로 사용함으로서, 기존의 석회석/보크 사이트 등 천연원료를 사용하는 수입산 제품에 비해 가격경쟁력이 우수할 뿐 아니라 산업부산물을 재활용함으로서 경제적･환경적으로도 큰 이점이 있다. 다만, 원재료 혼합공정의 안정화와 재료의 혼합/교반과정에서 발생하는 악취, 발열, 분진 등의 처리 등의 문제가 있어 이를 해결해야 사업화가 가능할 것이다. 최종적으로 본 사업을 바탕으로 현재 전량 수입에 의존하고 있는 CSA를 국산 제품으로 대체하고 장기적으로는 일본/중국 등에 상품 또는 기술 수출을 계획 중에 있다. 또한 품질향상 및 이를 발판으로 시멘트 혼화재로서의 γ-C2S와 같은 신제품개발을 목표로 하고 국내건설 산업에 이바지하고자 하는 것이다.

현재까지 건설 분야에서 가장 많이 사용된 재료는 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement: OPC)이다. 그러나 최근 OPC의 가격상승으로 인하여 건설비용이 크게 증가되고 있는 추세이다. 이와 함께 OPC 생산으로부터 발생되는 CO₂는 대표적인 환경부하물질로써 사회적으로 크게 문제화되고 있는 실정이다. 이러한 사회적 영향들로 인하여 새로운 건설재료의 개발 필요성이 대두되면서, 무시멘트 결합재(Cementless Binder) 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 무시멘트 결합재는 OPC를 사용한 모르타르에 비하여 상대적으로 큰 수축특성을 가지고 있다. 그러나 이를 개선하기 위한 연구는 아직도 많이 부족한 실정이다. 이 연구에서는 각종 산업부산물을 기반으로 제조된 무시멘트 결합재의 수축특성을 개선하는 방편의 일환으로, 정유사 탈황석고를 혼입하는 방안을 검토하였다. 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 기반으로 정유사 부산물인 탈황석고의 첨가에 따른 무시멘트 모르타르의 수축특성을 검토하였다. 이와 같은 검토를 위하여 결합재와 주문진 표준사를 1:2.45, W/B=47%로 설정하고 정유사 부산물인 탈황석고를 0, 4, 6, 8, 12%로 각각 혼입하여 길이변화 시험용 공시체를 각각 제작하였다. 정유사 탈황석고를 혼입한 모르타르의 길이변화 측정 결과, 탈황석고 혼입량이 증가할수록 초기의 팽창량이 증가하므로 후기 재령에서의 최종 수축량이 감소하는 효과로 나타났다. 이는 정유사 탈황석고의 구성 광물인생석회가 수화반응을 통하여 소석회로 변화하는 과정에서, C₃A와 반응하여 생성되는 반응생성물이 많아져 초기 팽창이 크게 발생되었기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 적정량의 정유사 탈황석고를 혼입하면 무시멘트 결합재를 사용한 모르타르의 길이변화 특성을 향상시킬 수 있을 것이라 판단된다.

In this study, the hydration heat of cementless mortar containing FGD gypsum is investigated experimentally. According to research results, it was found that using cementless binder is more convenient to apply to secondary product of concrete than ordinary portland cement.