철산칼륨과 짚섬유가 시멘트의 강도 향상에 미치는 영향에 관한 기계적 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7660(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

슬러지 내 유기물 함량이 높으면 응고 효과가 떨어지고 시멘트 베이스의 사용량이 과도해지는 주요 원인입니다. 본 연구에서는 철산칼륨과 짚섬유를 활용하여 시멘트의 응고효과를 상승적으로 향상시키고 강도 메커니즘을 정교화하였다. 그 중에서 슬러지 내 유기물의 구조를 산화 및 분해하고 유기물의 일부를 소비하기 위해 철산 칼륨이 선택되었습니다. 짚 섬유는 유기 물질의 일부를 흡수하고 시멘트 수화 반응에 대한 간섭을 줄이기 위한 흡착 재료로 사용되었습니다. 고화된 슬러지 내 짚섬유의 골격 기능을 이용하여 최종 고화된 슬러지 강도를 향상시켰습니다. 이들 두 첨가제의 존재는 시멘트 응고강도를 크게 향상시키고 응고체의 수분함량을 감소시키는 것으로 나타났다. 더욱이, 수분 함량과 강도는 명백한 선형 관계(R2 = 0.92로 조정)를 따랐으며, 수분 함량이 감소함에 따라 강도는 증가했습니다. 철산칼륨으로 전처리한 후 탈수된 슬러지의 유리수 함량이 4.5% 증가하여 시멘트와의 적절한 수화반응을 유도하였다. X선 회절(XRD), 에너지 분산형 X선 분광법(SEM/EDS)을 갖춘 주사 전자 현미경, 수은 압입 다공도 측정법(MIP)을 사용한 분석을 통해 철산칼륨이 밀짚 섬유와 시너지 효과를 발휘하여 반수석고와 기스몬딘의 생산을 촉진하는 것으로 나타났습니다. . 그러나 반수석고, 탄산칼슘, 기스몬딘에서는 구조적 팽윤이 발생하였고, 이는 현미경적 형태와 기공구조 분석을 통해 확인하였다. 그러나 팽윤으로 인한 부작용은 위의 결정질 물질에 의한 강도 증가로 상쇄되었습니다.

슬러지에는 수분 함량, 점도, 유기물 함량이 높을 뿐만 아니라 지질 공학적 특성이 낮고 독성 및 유해 폐기물이 포함되어 있습니다. 현재 중국 슬러지의 80%는 아직 안정화되지 않았으며 안전하고 적절하게 처리되지 않아 심각한 안전 위험과 환경적 압박을 야기하고 있습니다. 따라서 슬러지 문제를 해결하는 것이 가장 중요합니다.

매립지 덮개로서의 슬러지 고형화는 단순성, 경제성, 높은 소비량 및 첨단 기술로 인해 여전히 실용적인 처리 방법입니다. 일반적으로 사용되는 바인더에는 일반 포틀랜드 시멘트, 석회, 비산회, 슬래그 및 활성 산화마그네슘1,2,3이 포함됩니다. 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)는 쉽게 구할 수 있고, 저렴하며, 습식 폐기물에 쉽게 첨가할 수 있다는 점에서 최고의 경화제로 인정받고 있습니다4. 그럼에도 불구하고 슬러지 응고에 OPC를 사용하는 데에는 세 가지 주요 단점이 있습니다. 첫째, 시멘트 생산은 온실 효과 증가, 높은 에너지 소비, 재생 불가능한 자원 사용 등 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다5,6,7. 통계에 따르면 시멘트 산업은 전 세계 CO2 배출량의 6~7%를 차지합니다8,9. 둘째, 시멘트가 응고된 슬러지는 pH가 높은 경우가 많아 지하수와 식물의 성장에 해를 끼칩니다10,11. 마지막으로, 시멘트의 수화 반응은 슬러지의 유기물에 의해 쉽게 방해를 받아 경화 효과가 크게 감소하고 추가 시멘트 투여량이 필요합니다. 따라서 실행 가능한 전략에는 시멘트 투입량 조절을 위한 적당한 양의 보조 첨가제를 추가하고, 시멘트 수화 반응에 대한 유기물의 영향을 최소화하고, 고형화된 슬러지의 강도를 향상시키는 것이 포함됩니다. 현재 보조첨가제는 시멘트 수화 및 직접적인 산화 소비에 따른 유기물의 간섭을 상쇄하거나 방지하는 것과 간섭을 줄이기 위해 슬러지 내 유기물의 구조를 깨뜨리는 두 가지 관점에서 주로 연구되고 있습니다. 이러한 방향에서 Zhen et al.13은 소량의 새로운 알루미네이트 12CaO·7Al2O3 결정의 혼합물이 시멘트 수화 생성물과 함께 에트린자이트 및 방해석과 같은 빠르게 형성된 결정 및 유기물로부터의 간섭을 상쇄한다는 것을 발견했습니다. 또 다른 연구에서 Chen 등은 황산염 알루미네이트 시멘트가 유기물 간섭을 직접적으로 피하여 블랭크 대조군과 거의 동일한 양의 칼슘 알루미나 및 칼슘 알루미네이트 겔을 생성한다는 것을 조사했습니다. 그러나 황산염 알루미네이트 시멘트는 가격이 더 비싸고 응고된 슬러지의 강도를 높이기 위해 규산염 시멘트 첨가제로 자주 사용됩니다14. Lei 등7의 연구에서는 X선 회절 측정을 통해 나노실리카를 첨가하면 시멘트의 응고 강도에 대한 유기물의 약화 효과를 상쇄하는 추가 수화 규산칼슘을 형성하는 데 도움이 된다는 사실이 밝혀졌습니다. 시멘트에서 유기물의 수화반응을 중화시키기 위한 엄청난 양의 연구개발이 있었던 것은 분명합니다. 또한 Sun15와 Li16은 과망간산칼륨과 과황산칼륨을 시멘트 첨가제로 사용하면 각각 응고 강도 효과가 향상된다는 사실을 발견했습니다. 그러나 두 보고서 모두 심층적인 연구와 분석이 수행되지 않았습니다. 따라서 시멘트질 응고 효과를 향상시키기 위해 산화 소비 및 슬러지의 유기물 구조 균열에 대한 추가 연구의 여지가 여전히 많습니다. 철산 칼륨은 강력한 산화, 응집 및 환경 친화적인 특성으로 인해 슬러지 탈수17, 슬러지 감소18,19 및 폐수 소독 연구에 사용되는 특수 산화제입니다20,21. 그럼에도 불구하고 철산칼륨은 슬러지 응고에서 강도를 향상시킬 수 있는 잠재력이 거의 연구되지 않았습니다.