1. 서    론

현대 사회에 있어서 지구 온난화는 국제적인 문제로 대두되고 있다. 이러한 지구 온난화의 주요 원인이 되는 온실가스 중 대표적인 물질이 이산화탄소이며, 시멘트 산업의 경우 제조업 분야의 이산화탄소 발생량 중 약 18 %를 차지하고 있는 것으로 알려져 있다(Kim 2008). 특히 시멘트의 제조과정 중 클링커를 제조하는 과정에서 가장 많은 양의 이산화탄소가 발생하게 된다. 따라서 이와 같은 이산화탄소의 발생량을 줄이고자, 건설 산업에서는 시멘트의 대체재로서 산업부산물을 치환하여 사용하는 방안에 대해 활발하게 연구를 진행하고 있다(Kim and Park 2017). 이러한 산업부산물 중 플라이애시가 가장 활발히 연구되고 있다.

플라이애시란 석탄을 원료로 하는 화력발전소에서 발생하는 분진을 집진 및 냉각 한 것으로, 플라이애시를 사용해 콘크리트를 제작할 경우, 시멘트의 사용량 저감으로 이산화탄소 발생량 및 비용의 절감이 가능할 뿐만 아니라 유동성 증가로 인한 시공의 편리함, 장기강도 및 화학내구성의 개선 등 성능개선의 효과를 얻을 수 있다. 하지만 플라이애시를 콘크리트의 혼화재료로 사용함에 있어 다음과 같은 문제점이 지적되고 있다. 첫 째로 플라이애시는 발생과정에 있어 고온에서 급랭처리를 하기 때문에 표면에 유리질막이 형성되어 그 자체로 물과 직접적으로 반응하지 못하는 잠재수경성을 지니게 된다. 이러한 유리질막은 알칼리 환경에 노출될시 파괴되는 성질을 지녀 일반적으로 NaOH, KOH, Ca(OH)₂와 같은 알칼리 자극제를 이용하여 수화반응을 유도하였다(Cho et al. 2014; Jun and Oh 2015). 그러나 이러한 알칼리 자극제는 화학제품으로서 사용상 위험성을 지닐 뿐만 아니라 고가의 재료로서 건설 현장에 다량 사용됨에 어려움이 따르는 실정이다.

다음으로 플라이애시 내부에 존재하는 미연탄소분을 들 수 있다. 미연탄소란 화력발전소의 보일러 내부에서 완전히 타지 않고 남은 부정형의 원탄입자를 말한다. 이러한 미연탄소가 다량 혼입된 플라이애시를 사용할 경우, 동일 슬럼프 확보에 있어 다량의 AE제 첨가를 요구할 뿐만 아니라, 내구성의 저하 등 성능저하의 문제점을 불러온다.

현재까지 위와 같은 문제점을 해결하고자, 플라즈마를 이용한 플라이애시의 표면을 개질하는 방안에 대해 연구가 진행되었다(Lim et al. 2012). 하지만 플라즈마의 경우, 고가의 장비를 요구할 뿐만 아니라 유해물질을 배출하는 문제점을 지니고 있어 건설 산업에 폭 넓게 보급되지 못 하고 있는 것이 현실이다.

따라서 본 연구에서는 플라이애시의 표면 개질에 있어 플라즈마를 대체할 새로운 방안을 제시하고자, 아크방전을 이용한 플라이애시의 표면개질 효과에 관한 기초적 연구를 진행하였다.

2. 플라즈마를 통한 플라이애시의 표면개질

2.1 플라즈마의 정의

플라즈마란 초고온에서 음전하 성질의 전자와 양전하 성질의 이온으로 분리된 기체 상태를 말한다. 일반적으로 물질은 고체‧액체‧기체로 분류되나, 플라즈마는 전기적으로 중성을 띄는 제 4의 물질 상태라 정의할 수 있다.

2.2 플라즈마의 원리

플라즈마는 중성 입자와 이온, 전자들로 구성되어 있다. 여기서 이온과 전자는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 씨앗 전자와 중성 원자의 충돌로 인해 발생한다. 자연적으로 존재하거나 인위적으로 만들어진 cold electron이 전기장에 의해 에너지를 얻고 가속되어 hot electron이 된다. 이때 전자가 얻은 에너지가 중성입자와 충돌할 때, 중성 입자의 전자 중 하나가 자유전자가 되는 이온화 충돌이 발생한다. 이러한 과정이 반복되어, 충분한 이온-전자쌍이 발생되고 이것이 유지될 수 있게 되면 플라즈마가 생성되는 것이다(Lee and Cho 2013).

Fig. 1

Process of plasma generation (Lee and Cho 2013)

이러한 플라즈마 현상이 발생되기 위해서는 진공상태가 요구되며, 반응성을 위한 활성기체의 첨가가 요구된다. 활성기체로서 이용되는 가스는 일반적으로 O₂와 N₂가 있으며, 건설 산업에서 표면개질 장치로서 가장 보편적으로 이용되는 플라즈마는 Fig. 2에 나타낸 것과 같은 형식의 CCP(Capa-citively coupled plasma)type 의 O₂ 플라즈마이다.

Fig. 2

Diagram of capacitively coupled plasma (Lee and Cho 2013)

2.3 플라즈마를 이용한 플라이애시 표면개질에 관한 기존 연구

Fig. 3은 기존의 CCP type의 O₂ 플라즈마를 이용한 플라이애시의 표면개질 후 강열감량을 측정한 연구 결과를 나타낸 것이다(Lim et al. 2012). 기존의 표면개질 처리 되지 않은 일반적인 플라이애시의 경우 5.8 %의 강열감량을 나타내었으며, 플라즈마를 이용한 표면개질 횟수를 거듭함에 따라 그 값이 점차 감소하여 표면개질 10회 처리 후 0.11 %로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 처리 횟수가 증가함에 따라 강열감량 감소율은 저하하는 것으로 나타났다.

Fig. 3

Variation in ignition loss according to the number of times of surface treatment using plasma (Lim et al. 2012)

2.4 플라즈마의 문제점

O₂ 플라즈마의 경우 입자의 분해 및 재결합 현상으로 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 O₃가 발생하게 된다. 기존의 연구에 의하면(Chung et al. 2012), O₃는 무색이고 냄새가 자극적인 유해가스로, 오존을 구성하고 있는 산소는 핵이 8개인 원자로서 최외각 전자가 6개인 불안정한 원소이다. 이때 오존의 작용 원리인 반응식 [O₃ → O₂ + O]에서 발생기 O는 다른 물질과 결합하려는 성격을 지녀, 결합을 통해 물성을 변화시키는 산화작용을 일으킨다. 이와 같이 산화력이 강한 오존이 인체에 지속적으로 노출될 경우, 호흡기의 단백질의 변성 및 효소들의 구조를 변형시켜 인체의 여러 가지 기능에 문제를 초래한다. 또한 세포막을 구성하는 불포화지방산과 반응하여 지방의 과산화를 일으켜 호흡기 질환 악화와 폐 용량의 저하를 발생시킨다.

Fig. 4

Generation of ozone in plasma

따라서 플라즈마는 위와 같은 유해물질 생성으로 인해 건설 산업에 폭 넓게 보급되지 못 하고 있는 실정이다.

3. 아크방전을 통한 플라이애시의 표면개질

3.1 아크방전의 정의

아크방전이란 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 양극과 음극을 대립시킬 때 양 전극의 전위차로 인해 공기 중에서 발생하는 방전의 일종으로서, 방전극에 인가되는 전압이 수 볼트 또는 수십 볼트의 전압을 가지고 암페어 이상의 전류를 흘릴 수 있는 방전 영역을 말한다.

Fig. 5

Diagram of arc discharge area (Szabo et al. 2010)

3.2 아크방전의 원리

아크방전 영역 내에서 전자들은 고속으로 이동하며 에너지를 얻고, 다른 입자들과 탄성충돌을 일으켜 에너지를 전달한다. 이때 입자의 온도가 상승하게 되고, 비탄성 충돌 과정을 거쳐 입자들의 전리 및 높은 에너지 준위로의 여기(excitation)가 일어나 아크방전이 지속적으로 발생하는 것이다(Kim 2011).

이는 방전 기체의 압력의 세기에 따라 크게 고압 아크방전과 저압 아크방전으로 분류되며, 본 실험에서는 저압 아크방전을 이용하였다. 저압 아크방전은 중성기체 원자들의 밀도가 낮아 전자와 중성 원자들 간의 탄성충돌 빈도가 낮아 전자온도는 매우 높은 반면, 중성원자들의 온도는 낮은 특징을 지니고 있다. Fig. 6에 나타나듯, 아크방전 또한 전자이온, 중성기체 원자 등으로 구성된 약 전리 플라즈마 상태라 말 할 수 있다.

Fig. 6

Types of plasma depending on density and temperature (Lee and Cho 2013)

3.3 아크방전의 특성

아크방전이 발생하는 과정 중 빠른 속도로 이동하며 단위시간 당 큰 에너지를 얻은 입자들이 탄성충돌하는 과정에 있어 에너지를 얻게 되며 이때 고온의 열이 발생한다. 그 온도는 약 3,000~6,000 °C에 달한다. 또한 탄성충돌 이후 일어나는 비탄성 충돌과정에 입자들의 전리 및 에너지 준위로의 여기(excitation)가 발생하며, 여기를 해소하는 과정에 있어서 빛(불꽃)을 발생시킨다. 본 연구에서는 이와 같은 고온의 열과 불꽃을 이용하여 미연탄소 제거 및 유리질 피막을 파괴해 플라이애시의 표면을 개질하고자 하였다.

Fig. 7은 아크방전이 발생하고 있는 영역을 플라이애시가 통과하는 과정에 있어 불꽃의 색상이 변화하는 것을 나타낸 것이다. 기존의 아크방전 불꽃은 보라색을 띄고 있으나, 플라이애시와 접촉하는 경우 주황색으로 변화한다. 이와 같은 색상 변화로 플라이애시의 표면개질 진행 여부를 확인하는 것이 가능하다.

Fig. 7

Color variation of arc discharge area

4. 실험 계획 및 방법

4.1 사용 재료 및 기계

본 연구에서는 일반적인 화력발전소에서 얻을 수 있는 플라이애시를 사용하였으며, 그 재료의 물리적 특성은 Table 1에 나타낸 바와 같다. Table 2는 본 연구를 진행하기 위해 실제로 본 연구팀이 자체적으로 설계하여 제작한 아크방전 기계의 성능을 나타낸 것이다. 기계는 크게 팬, 아크방전기, 집진 필터, 압축기로 이루어져 있으며 각 구성은 Fig. 8에 나타낸 바와 같다.

Table 1 Physical properties of using material

Table 2 Performance of arc discharge machine

Fig. 8

Arc-discharge machine

4.2 플라이애시의 표면개질 방법

아크방전을 이용한 플라이애시의 표면개질 방법은 다음과 같다. 아크방전 기계를 작동시킨 후, 소량의 플라이애시를 흡입구를 통해 주입하면, 플라이애시는 공급팬을 통해 아크방전 영역으로 이동한다. 플라이애시는 아크방전이 이루어지고 있는 양 전극 사이를 통과하게 되며, 이 때 아크방전으로 인해 발생한 고온의 불꽃과 접촉함에 따라 표면의 개질이 이루어지게 된다. 표면이 개질된 플라이애시는 집진 필터로 집진되며, 효과적인 표면개질 처리를 위해 위와 같은 과정을 2회 반복하였다.

4.3 실험 계획

본 연구팀이 제작한 아크방전 기계를 이용하여 플라이애시의 표면을 개질하고자 실시한 실험 계획은 Table 3에 나타낸 바와 같다.

Table 3 Experimental plan

플라이애시의 표면개질 여부를 확인하기 위해 SEM 분석을 하였으며, 물리적 특성 변화를 확인하기 위해 비중(KS L 5110), 분말도(KS L 3126), 강열감량(KS L 3126) 측정을 실시하였다. 또한 초기 수화 반응성 변화를 확인하기 위해 표면개질 전후의 플라이애시를 이용하여 시멘트 경화체를 제작한 후, KS L 5105 기준에 의거하여 재령 3일의 압축강도 측정을 진행하였다.

5. 실험 결과 및 분석

5.1 아크방전 플라이애시의 SEM 분석 결과

SEM 분석 결과는 Fig. 9와 같다. Fig. 9의 (a)는 표면개질 처리를 거치지 않은 일반적인 플라이애시의 SEM 분석 결과로, 다량의 미연탄소가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다. 반면, (b)는 아크방전을 이용해 표면개질을 2회 진행 한 플라이애시의 분석 결과를 나타낸 것으로, 대부분의 미연탄소가 제거되어 플라이애시의 표면이 균일해진 것을 확인할 수 있다. 이는 플라이애시가 아크방전 영역 내에서 발생한 고온의 불꽃과 접촉함에 따라 미연탄소가 제거된 것으로 판단된다.

Fig. 9

SEM analysis of normal fly ash and surface treatment fly ash by arc discharge

Fig. 10은 아크방전을 이용해 표면 개질된 플라이애시의 개별적 입자를 확대한 것이다. 마찬가지로 미연탄소가 제거되어 다소 거칠었던 표면이 균일한 구형의 입자 형태를 띠는 것으로 나타났다. 이때 플라이애시 입자의 중앙부가 뚫려있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 표면개질 과정에 있어서 플라이애시 입자가 아크방전 영역을 통과할 때 강한 아크 불꽃과 접촉함에 따라 입자의 일부분이 제거되어 생긴 흔적으로 판단된다.

Fig. 10

Surface treatment fly ash particle by arc discharge

5.2 비중 측정 결과

Fig. 11은 아크방전 전·후에 있어서 플라이애시의 비중 측정 결과를 나타낸 것이다. 측정 결과, 아크방전을 이용해 표면개질 한 플라이애시의 경우 다소 비중이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 이는 아크방전에 의해 Fig. 10과 같이 플라이애시의 입형이 비정형으로 변화하여 얻어진 결과로 판단되나 일반적인 플라이애시와 비교했을 때, 그 값의 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 11

Test results of specific gravity measurement

5.3 분말도 측정 결과

Fig. 12는 아크방전 전·후에 따른 플라이애시의 분말도 측정 결과를 나타낸 것이다. 표면개질 한 플라이애시의 경우 분말도가 상승하는 것으로 나타났는데, 이는 SEM 분석 결과에서도 알 수 있듯이, 플라이애시가 아크방전 영역을 통과하는 과정에 있어서 고온의 불꽃과 접촉함에 따라 부정형의 미연탄소가 다량 제거되었기 때문에 비표면적이 감소하여 얻어진 결과로 판단된다.

Fig. 12

Test results of fineness measurement

5.4 강열감량 측정 결과

Fig. 13은 아크방전 전·후에 있어서 플라이애시의 강열감량 측정 결과를 나타낸 것이다. 아크방전에 의하여 개질된 플라이애시의 강열감량 결과는 약 2 % 감소하여 7 %의 수치를 나타내었다. 이는 기존의 플라즈마 표면개질의 경우 2회 처리 했을 때의 감소 값인 약 3.24 %와 유사한 결과로, 아크방전 표면개질 할 경우 플라즈마 표면개질 처리와 유사한 미연탄소 제거 효과를 얻을 수 있는 것으로 사료된다.

Fig. 13

Test results of ignition loss measurement

5.5 압축강도 (3 days) 측정 결과

Fig. 14는 일반적인 플라이애시 및 아크방전을 이용해 표면개질 한 플라이애시로 제작한 시멘트 경화체의 재령 3일의 압축강도를 나타낸 것이다. 휨강도의 경우 강도의 차이가 크지 않은 반면 압축강도의 경우, 표면개질 된 플라이애시가 일반적인 플라이애시에 비해 높은 강도를 발현하는 것을 알 수 있었다. 이는 플라이애시가 아크방전에 의한 입자의 재배치에 따라 표면의 유리질 박막이 파괴되어 수화 반응성이 향상된 것으로 판단된다.

Fig. 14

Test results of compressive strength measurement

6. 결    론

아크방전을 이용한 플라이애시의 미연탄소 제거 및 표면 개질 효과에 관한 연구 결과, 본 연구 범위 내에서는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1)SEM 분석 결과 플라이애시에 포함되어 있는 미연탄소가 아크방전에 의해 대다수 제거되는 것을 확인할 수 있었다.

2)비중 측정 결과, 아크방전으로 표면개질 된 플라이애시는 일반적인 플라이애시와 비교했을 때, 큰 차이를 나타내지 않았으며, 분말도 시험의 경우에는 분말도가 큰 폭 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 아크방전에 의해 부정형의 미연탄소가 제거됨에 따라 비표면적이 감소해 얻어진 결과로 판단된다.

3)강열감량 시험의 경우, 아크방전에 의한 표면개질 이후 감소하는 경향을 나타내었다.

4)강도 측정 결과, 압축강도의 경우 아크방전을 이용해 표면개질 한 플라이애시의 강도 발현율이 더 양호한 것으로 나타났다. 이는 아크방전으로 인해 표면의 유리질 박막이 제거되어 얻어진 결과로 판단된다.

따라서 아크방전을 이용하여 플라이애시의 표면을 개질할 경우, 표면의 미연탄소 제거 효과뿐만 아니라 플라이애시 표면의 유리질 박막을 파괴함으로써 별도의 알칼리 자극제의 첨가 없이 반응성을 향상시켜, 초기재령을 확보하는데 있어 효과적일 것으로 판단된다.