석분슬러지와 황토를 활용한 점토세라믹의 비열에 관한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

이해정, 함진규, 최승훈, 유정근*

서남대학교 화학공학과, 한서대학교 화학공학과*

A Study on Specific Heat of Clay Ceramics using Stone Sludge and Yellow Clay

Hae Jeang Lee, Jin Kyu Ham, Seung Hoon Choi, Jeong Keun Yoo*

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Dept. of Chem. Eng., Seonam Univ., Dept. of Chem. Eng., Hanseo Univ.*

서론

전 국토의 25%가 석재자원으로 활용될 수 있고, 1.7억톤의 가채매장량을 갖고 있는 우리나라의 경우, 석재산업에서 발생하는 석분 및 석분슬러지 발생율은 30∼40%에 이르고 있으며, 800여 석가공업체에서 매월 업체당 3,200여 톤의 석분슬러지가 발생하고 있다. 이 폐석분은 국가적으로 환경문제 해결과 자원재활용 차원에서 셀프레벨링재, 소성벽돌류, 폴리머복합체 등 건축 토목재료로서 다양하게 활용되고 있고 계속적인 연구가 진행중이다[1,2].

본 연구에서는 여러 산지에서 발생되는 국내 전형적인 석분 및 석분 슬러지와 황토, 특정광석 성분 등을 배합하여 성형, 소성 등의 공정을 거쳐 전기온풍기내 축열벽돌, 사우나 내장재, 축열세라믹 등으로 활용하기 위해, 원료배합비 및 제조조건에 따라 비열 및 함수율, 열전도도 등 열적특성에 대해 연구하였다.

실험

1. 석분 시료

본 실험에 사용한 석분은 장석류(feldspar)가 62%로 가장 많은 성분인 것과 주성분이 45% 사장석류인 석분을 사용하였다.

이상의 석분과 도자기 소지실험을 위해 사용한 전북 남원인근 지역의 황토의 성분을 분석한 결과를 Table 1에 수록하였다. 각각의 시료의 입도는 100∼140mesh의 석분을 사용하였고, 미리 110℃에서 24h이상 건조한 다음 도자기 시편제조실험에 사용하였다.

Table 1. Chemical compositions for samples.

구분	SiO2	Al2O3	FeO	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	TiO2	MnO	P2O5	LOI
장수군 석분	71.8	14.5	0.71		1.78	0.18	5.75	4.64	0.07	-	-	0.49
마천석 석분	54.0	16.7	5.87	2.20	7.10	5.07	4.56	3.55	0.93	0.14	0.50
흑운모 화강암 (남원지역)*	68.6	15.7	3.44		3.34	1.15	2.96	3.96	0.35	0.05	0.08	0.76
점토	56.7	36.8	2.44		2.95	0.77			0.19	0.03		0.5

2. 실험방법

2.1 점토 세라믹 제조공정

점토 세라믹의 세가지 주요성분은 점토/고령토, 석영 그리고 장석으로서, 각각의 구조적기능이 있으며, 조성비에 따라 여러 세라믹 제품의 특성이 나타난다[3]. 본 실험에서는 가소성을 부여하기 위해 황토를 사용하였고, 소성후 점토세라믹으로 분류될 수 있으며, 석분만의 세라믹에 대한 열적 특성을 개선하기 위해 마그네시아, 맥반석 등 특정 광물을 함량별로 첨가하여 벽돌 시편을 다양하게 제조하였다.

세라믹 제품의 제조는 Fig. 1에 나타난 바와 같이원료의 가공과 준비 (분쇄, 분류, 혼합), 성형 (주형, 압착, 물레질, 주입성형), 건조 및 예열(수분, 유기결합제의 제거),  1단계 최종소성순으로 진행하였다.

Fig. 1. Manufacture of Clay Ceramics

본 실험에서 소성은 실험용 전기로를 사용하여 실온에서부터 최종온도까지 3∼6시간 동안 서서히 가열하였고, 목표하는 최종온도(1,000∼1,100℃)에서 통상 6 ∼ 12시간 동안 유지시켜 전체 소성시간은 15∼18시간이였다.

실험의 주된 변수로서는 원료의 산지별 종류, 첨가 광물, 원료의 입도, 배합비, 소성조건 및 소성시간이였으며, 위의 공정을 통해 얻은 결과 시편들에 대해서 비열, 열전도도 및 비중, 함수율, 압축강도 등을 측정하여 기존의 세라믹 축열재와 비교 검토함으로써 활용 가능성을 판단하고자 하였고 또한 방열, 내열 재료로서의 가능성을 연구하였다.

세라믹스의 축열 능력은 비체적열로 평가되며 단위부피당 1℃올리는데 필요한 열량을 의미한다. 일반적으로 콘크리트 벽돌이나 소성된 건축용 적벽돌의 경우는 0.34∼0.41cal/□℃이고, 심야전력 축열기기에 사용되는 마그네시아질 brick의 경우 0.75∼0.88cal/□℃ 정도로 높게 된다. 일반 석분의 비체적열은 겉보기비중을 적용하였을 경우 대개 0.4cal/□℃의 값을 나타내며, 기타 광석을 배합하고, 점토질 세라믹스로 제조할 경우 축열능력이 향상될 것으로 기대하고 있다.

결과 및 토론

1. 황토의 함량 변화에 따른 벽돌의 특성

규소 함량이 많은 석분에 대하여 황토를 40%에서 60%까지 배합비를 변화시키면서 시편을 1100℃,  8시간 조건에서 소성시켰고, 여러 기하학적 형태를 변화시키면서 시편을 제조하였다. 6종류의 시편에 대한 소성감량율을 Fig. 2에 수록하였다.

그림에 나타난 바와 같이 황토의 함량이 클수록 소성감량율은 큰 경향으로 나타내었는데, 이는 석분과 비교하였을 경우 황토의 휘발성분 및 미세기공내 수분함유량이 많기 때문이다. 이 결과는 Fig. 3에 나타난 함수율 시험을 통하여 확인하였다. 함수율 시험은 점토벽돌에 대한 한국산업규격 KS L4201에 따라 수행하였으며, 함수율에 대한 결과는 일반 점토벽돌 2종에 해당되는 값이다.

Fig. . Weight loss on firing with the variation of content of yellow clay.

한편 이 6종류의 소성제품에 대한 비열을 측정하여 Fig. 4에 수록하였다. 측정된 비열 값들은 일반적으로 점토벽돌의 값보다 크게 나타났으며, 황토의 함량이 증가할수록 비열의 값은 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 원료중 황토의 함량이 많아질수록 소성후 황토에서 기인하는 미세기공이 발달하게 될 것이고, 이 미세한 기공의 발달이 점토세라믹의 축열특성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig. . Water absorption amounts of products with the variation of content of yellow clay.

Fig. . Specific heat of products with the variation of content of yellow clay.

2. 마그네시아 첨가에 따른 열적 특성

기존의 세라믹 축열재는 주로 마그네시아질과 마그네타이트가 주성분인 것으로 근래 천연자원이 풍부한 외국에서 직접 압축 소성한 제품이 사용되고 있다.

본 연구에서는 마그네시아(MgO)가 98%이상의 주성분인 마그네시아 벽돌이 아니라 점토세라믹에 일부 첨가되었을 때 비열 특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 마그네시아 첨가량을 변화시키면서 석분과 황토로 배합한 벽돌시편에 대한 비열을 측정하여 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

통상적으로 점토세라믹에 SiO2의 함량이 증가하면 비열은 낮아지게 되며, Al2O3 및 Fe2O3등의 영향도 비열에는 부정적인 역할을 보이며, MgO 등은 75% 이상에서 비열을 향상시키게 된다. 그림에 나타난 실험결과는 다소 재현성이 부족하였으며 추가적인 실험 및 고찰이 필요하였다.

산업 경제적 요인으로 마그네시아 벽돌에 대한 생산성 경쟁이 어려울 경우에는 600℃ 정도의 온도내라면, 융제로 작용한 장석류 석분의 기능으로 저온에서 쉽게 유리질화되는 장점과 미세기공의 정교한 조절 등을 통하여 마그네시아 등 특정 광석성분이 일부 함유된 석분-점토세라믹의 활용이 기대된다.

Fig. . Weight loss on firing with the variation of content of yellow clay.

참고문헌

1. Han, S.M, KORES Report, 98-2(1998).

2. Lee, S.H, Park, C.W, Choi, S.C. and Lee, Y.S, J. of the Korean Institute of mineral and Energy Resources Engineers, 34, 463(1997).

3. W. B□chner, R. Schliebs, G. Winter and K.H. B□chel, "Industrial Inorganic Chemistry", VCH, New York(1989).