1. 서 론
2. 실험 방법
2.1. 실험 재료 및 장치
2.2. 레미콘 회수수 내 나노버블 기술을 활용한 이산화탄소 용해 방법
2.3. 이산화탄소가 용해된 레미콘 회수수의 콘크리트 배합수 활용
3. 결과 및 고찰
3.1. 레미콘 회수수 내 이산화탄소 농도 결과
3.2. 압축강도 측정 결과
3.3. 열중량 분석 결과
4. 결 론
1. 서 론
건설 산업이 발전함에 따라 콘크리트의 증가된 수요를 만족시키기 위하여 레미콘(Ready Mixed Concrete) 생산량이 급격하게 증가하였다. 레미콘 제조 후 배처 플랜트(Batcher Plant) 및 운반 차량 내부의 잔존 콘크리트는 시간이 지남에 따라 경화되어 설비의 효율을 저하시키고 유지보수 비용을 증가시키게 된다. 시설 내 레미콘이 고착되지 않도록 세척을 통해 제거하게 되는데, 세척 과정에서 수산화칼슘 성분이 포함된 레미콘 회수수가 필연적으로 발생하게 된다.1) 레미콘 회수수는 pH가 12 이상인 강한 알칼리성 건설 폐수로서 처리 없이 방류될 경우 수중 유기물질 용해 및 분해시켜 생화학적 산소 요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD) 부하 증가, 물의 자정작용 저해, 하천 색의 변색 등 2차 환경문제를 유발하는 원인으로 알려져 있다.2) 최근에는 레미콘 회수수 발생량이 증가됨에 따라 레미콘 회수수로 인하여 발생되는 환경문제를 해결하기 위하여 중화처리 후 방류하고 있다. 기존 레미콘 회수수 중화처리에 사용되는 10 % 이상의 황산은 유독물질로 분류되어 까다로운 관리방안을 충족해야 하며, 강산을 사용할 경우 배관 또는 장치의 부식이 일어나게 되며, pH 7 부근에서는 소량의 황산을 주입하여도 급격하게 pH가 감소하여 산성으로 변화됨에 따라 NaOH를 주입하여 pH를 재조정해야 하는 기술적 한계점을 지니고 있다.3) 최근에는 이러한 한계점을 극복하고자 지구온난화의 원인물질인 이산화탄소(carbon dioxide, CO2)를 활용하는 사례가 증가하고 있다. 이산화탄소가 레미콘 회수수 내 주입될 경우 pH가 급격히 감소하는 황산과는 달리 중화반응에 완충 영역이 존재하여 이산화탄소가 과잉 투입되더라도 pH는 6~7 이하로 감소하지 않으며, 화학약품(강산)을 사용하지 않아 시설의 부식 문제도 해결할 수 있다.4) 또한, 알칼리성 폐수 중화처리에 이산화탄소를 사용할 경우 경제적으로 수처리가 가능한 효과적인 기술로 알려져 있다. 그러나 기체 형태인 이산화탄소를 액체 형태인 레미콘 회수수에 직접적으로 주입할 경우 반응 효율이 좋지 않으며 낮은 수중 이산화탄소 용해도로 인하여, 주입된 이산화탄소 중 약 70 % 이상이 수중에서 용해되지 못하고 재방출됨에 따라 효율성이 낮은 기술로 분류되고 있어 한계점 극복이 필요한 상황이다.5) 최근에는 이산화탄소를 통해 레미콘 회수수를 처리하고 건설폐기물의 유효 활용을 증대시키고자 레미콘 회수수 내 이산화탄소를 가스 형태로 주입하거나, 압력을 가해 이산화탄소를 초임계 상태로 변환시켜 탄산화 결정체 제조 등 다양한 방법을 연구 중에 있으나, 실제 현장에서는 안전상의 문제로 인하여 직접적으로 적용하기에는 어려운 상황으로 이를 대체할 수 있는 기술 개발이 필요한 상황이다.6)
본 연구에서는 기존의 레미콘 회수수 내 이산화탄소 주입 방법의 한계점을 보완하기 위하여 일반적인 조건에서 레미콘 회수수 내 이산화탄소를 용해시킬 수 있는 나노버블 기술을 활용하고자 하였다. 나노버블을 사용할 경우 선행연구7)를 통해 수중에 이산화탄소 용해가 가능한 것을 확인하였으며, 본 연구에서는 레미콘 회수수에 이산화탄소를 용해시켰다. 레미콘 회수수 내부에는 시멘트(CaO)와 물(H2O)에 의한 수화반응으로 인해 형성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 존재하고 있어 외부에서 이산화탄소를 주입할 경우 식 (1), (2), (3), (4)의 탄산화 반응에 의해 콘크리트의 주요 구성 성분인 탄산칼슘(CaCO3)이 생성된다.8) 이산화탄소에 의해 형성된 탄산칼슘 결정체를 콘크리트 제조 과정에 활용하게 된다면, 콘크리트의 미세 공극을 채워주어 강도 증진 및 내구성이 향상됨에 따라 레미콘 회수수의 재사용 효율이 증대될 것으로 판단된다.9,10)
이러한 내용을 바탕으로 나노버블을 사용하여 이산화탄소가 용해된 회수수의 건설재료 활용 가능성을 확인하기 위하여 나노버블에 의해 이산화탄소가 용해된 회수수를 배합수로 사용하여 모르타르를 제조하였다. 이후 제조된 모르타르 내 고정된 이산화탄소량을 분석하고자 압축강도 측정 및 열중량 분석을 통해 강도 및 탄산칼슘 생성량을 분석하였다.
2. 실험 방법
2.1. 실험 재료 및 장치
본 연구에서 사용된 모든 레미콘 회수수는 양주시에 위치한 A 레미콘 제조업체에서 제공받아 사용하였다. 선행연구11)를 통해 레미콘 회수수 내 이산화탄소를 용해시킬 수 있는 나노버블 생성장치를 구축하였으며, 나노버블은 장치 내부 이중 코일형 노즐에 의해 버블이 파쇄되어 생성될 수 있도록 하였다. 이 과정을 반복 순환하여 균등한 크기 및 개수를 극대화하였으며, 200 nm 이하의 크기를 가지는 나노버블이 1 mL당 약 1억 2천만 개 이상 생성되도록 장치를 구현하였다. 본 연구에서 사용된 이산화탄소는 순도 99.5 %의 이산화탄소 가스이며, 레귤레이터(CHN-1, CHIYODA SEIKI, Japan)를 이용하여 이산화탄소의 주입 유량을 조정하였다.
2.2. 레미콘 회수수 내 나노버블 기술을 활용한 이산화탄소 용해 방법
레미콘 회수수 60 L에 선행연구를 통해 개발한 나노버블 생성장치로 수중에 이산화탄소를 주입하였다. 이산화탄소 주입 유량 2.2 L/min의 조건에서 5 h 동안 수중에 이산화탄소를 주입하였으며, 최적의 이산화탄소 용해 농도 및 시간을 도출하고자 시간별(30 min, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 5 h)로 원수를 샘플링하여 수중 이산화탄소 농도와 pH를 측정하였다. Fig. 1을 통해 레미콘 회수수에 나노버블을 통해 이산화탄소를 용해시키는 실험 과정을 자세히 나타내었다.
2.3. 이산화탄소가 용해된 레미콘 회수수의 콘크리트 배합수 활용
2.3.1. 레미콘 회수수를 활용한 모르타르 제조
나노버블에 의해 이산화탄소가 용해된 레미콘 회수수의 콘크리트 배합수 재활용 가능성을 확인하기 위하여 Table 1과 같은 조건으로 모르타르 시편을 제조하였으며, 대조군으로는 일반 수돗물과 나노버블에 의해 이산화탄소가 용해된 수돗물로 제조한 모르타르를 준비하였다. 시편의 압축강도를 발현시키기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트와 잔골재의 비율은 2:1로 설정하여 건비빔을 실시하였다. 일반적으로 탄산화 양생 연구에서는 물/시멘트비(W/C)를 0.4~0.6의 범위에서 설정하고 있으며, 물/시멘트비가 높을수록 탄산화가 촉진되는 것으로 알려져 있어 본 연구에서는 0.6의 조건에서 모르타르 제조를 진행하였다.12) 이후 콘크리트 믹서기를 사용하여 믹싱을 진행한 후 50 × 50 × 50 mm 큐브형 몰드를 사용하였으며, 항온항습기를 통해 온도 20 ± 1 °C, 상대습도 60 ± 1 % 조건에서 28일 동안 수중 양생을 진행하였다. 제조된 모르타르 시편은 배합수(①나노버블 이산화탄소가 용해된 레미콘 회수수, ②나노버블 이산화탄소가 용해된 수돗물, ③일반 수돗물)에 따른 특성 차이를 비교하기 위하여 압축강도와 열중량 분석을 실시하였다.
Table 1.
Mortar manufacturing mixing conditions.
| W/C |
Cement/Aggregate Ratio |
Curing period (Day) |
Temperature (°C) |
Relative Humidity (%) |
| 0.6 | 2.4 | 28 | 20 ± 1 | 60 ± 1 |
2.3.2. 모르타르의 특성 분석
제조된 모르타르의 압축강도를 측정하기 위하여 KS L 5150 (수경성 시멘트 모르타르 압축강도 시험법)에 따라 분석을 실시하였다. 배합수별 모르타르 시편 3개씩 제조하였으며, 각 시편의 압축강도를 측정하여 평균값으로 나타내었다. 또한, 모르타르 내 탄산칼슘 생성 정도를 확인하기 위하여 열중량 분석기(STA 449 F5, Jupiter, USA)를 통해 열중량 분석을 실시하였다. 본 연구에서 제조된 모르타르 시편을 분쇄하여 분말 형태로 준비하고 고순도 질소(N2) 환경에서 온도 범위 25~1,000 °C, 승온속도 10 °C/min의 조건에서 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 레미콘 회수수 내 이산화탄소 농도 결과
레미콘 회수수 내 나노버블 기술을 활용하여 이산화탄소를 용해시킨 결과를 Fig. 2와 Table 2에 자세히 나타내었다. 이산화탄소 주입 3 h 경과 후 레미콘 회수수 내 이산화탄소의 농도는 2,464 mg/L로 측정되었다. 나노버블은 나노 크기의 버블이 음(-)으로 대전된 표면전하로 인해 오랜 기간 독립적인 형태로 유지될 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이로 인해 생긴 버블 간의 공간 사이로 이산화탄소가 용해된 것으로 판단된다.7) 이산화탄소 주입 초반에는 이산화탄소의 농도가 낮게 측정된 것으로 확인되며, 이는 이산화탄소가 레미콘 회수수의 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 우선적으로 반응하는데 소모된 것으로 판단된다. pH는 이산화탄소 주입 30 min만에 12.54에서 6.67로 중화된 것으로 확인되었으며, 이산화탄소의 주입이 계속되어도 pH 6.0 이하로 감소되지 않는 것으로 확인되었다. pH가 6.0 이하로 감소하지 않는 이유는 식 (5)와 같이 이산화탄소와 물이 반응하면서 생성된 중탄산 알칼리도가 산도를 중화시킴으로써 pH에 대한 완충작용을 하는 것으로 판단된다.13) 따라서 나노버블을 사용할 경우 일반적인 조건에서 레미콘 회수수에 이산화탄소를 용해시킬 수 있으며, 친환경적이며 안정적으로 pH 중화가 가능한 것으로 판단된다.
Table 2.
Results of measuring the concentration of dissolved carbon dioxide in ready-mix concrete recovery water.
| Time (H) | CO2 Concentration (mg/L) | pH |
| 0 | 0.732 | 12.54 |
| 0.5 | 312 | 6.67 |
| 1 | 1,317 | 6.52 |
| 2 | 1,927 | 6.30 |
| 3 | 2,464 | 6.34 |
| 4 | 2,420 | 6.37 |
| 5 | 2,372 | 6.31 |
3.2. 압축강도 측정 결과
탄산화 반응에 의한 모르타르의 강도 증진 여부를 확인하기 위하여 압축강도를 측정하였으며, 결과를 Fig. 3과 Table 3에 자세히 나타내었다. 각 배합수별 모르타르의 압축강도는 일반 수돗물을 사용할 경우 43.22 MPa, 나노버블 이산화탄소가 용해된 수돗물은 53.62 MPa가 측정되었으며, 나노버블 이산화탄소가 용해된 레미콘 회수수는 57.06 MPa가 측정됨에 따라 일반 수돗물 대비 32.02 %의 강도 증진이 나타난 것으로 확인되었다. 모르타르 제조 시 수중 용해되어 있는 이산화탄소가 시멘트와 반응하여 생성된 탄산칼슘과 더불어 나노버블을 이용하여 이산화탄소를 레미콘 회수수에 용해시키는 과정에서 생성된 탄산칼슘으로 인해 나노버블 이산화탄소가 용해된 수돗물을 사용하였을 때보다 더 많은 양의 탄산칼슘이 생성된 것으로 판단된다. 따라서 모르타르 제조 및 나노버블 이산화탄소 용해 과정에서 생성된 탄산칼슘이 모르타르 내부 미세 공극을 채움으로써 가장 높은 압축강도가 나타난 것으로 판단된다.
Table 3.
Compression strength results (unit : MPa).
| Sample No. | Average | |||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Normal water | 43.68 | 40.26 | 45.73 | 43.22 |
| Normal Water + Nanobubble CO2 | 53.51 | 50.71 | 56.66 | 53.62 |
| Recovered water + Nanobubble CO2 | 57.59 | 58.46 | 55.13 | 57.06 |
3.3. 열중량 분석 결과
이산화탄소가 주입된 레미콘 회수수를 콘크리트 배합수로 사용할 경우 생성되는 탄산칼슘의 정도를 확인하기 위하여 열중량 분석을 진행하였으며, 실험 결과를 Fig. 4와 Table 4에 나타내었다. 일반적으로 수산화칼슘은 450~500 °C 사이에서 산화칼슘과 물로 열분해된다. 탈수에 의한 중량 감소가 나타나며, 수산화칼슘은 물과 1:1의 몰비로 생성되기 때문에 각 분자량 74.09 g/mol, 18.02 g/mol에 의해 계산되는 환산계수 4.11을 곱하여 수산화칼슘의 함량을 환산한다.14) 탄산칼슘은 온도 범위 500~800 °C 사이에서 산화칼슘과 이산화탄소로 분해되며, 탈탄산에 의해 중량 감소가 나타난다. 탄산칼슘과 이산화탄소는 1:1의 몰비를 가지며, 각 분자량은 100.09 g/mol, 44.01 g/mol이기 때문에 감량 값에 2.27의 환산계수 값을 곱하여 탄산칼슘의 함량을 계산하였다.15)
Table 4.
TGA analysis results.
| Weight loss (%) | Ca(OH)2 (%) | CaCO3 (%) | ||
| 400~450 °C | 500~800 °C | |||
| Normal water | 2.66 | 2.03 | 10.94 | 4.61 |
| Normal water + Nanobubble CO2 | 2.12 | 2.64 | 8.71 | 5.99 |
| Recovered water + Nanobubble CO2 | 1.97 | 2.86 | 8.10 | 6.49 |
열중량 분석 결과 400~450 °C의 온도 범위에서 일반 수돗물을 사용한 시편의 경우 2.66 %, 나노버블 이산화탄소가 용해된 수돗물은 2.12 %로 분석되었으며, 나노버블 이산화탄소가 용해된 회수수의 경우 1.97 %로 분석됨에 따라 각 배합수 별 수산화칼슘 함량은 10.94 %, 8.71 %, 8.10 %로 확인된다. 500~800 °C의 온도 범위에서는 각 배합수 별 2.03 %, 2.64 %, 2.86 %로 분석됨에 따라 4.61 %, 5.99 %, 6.49 %의 탄산칼슘이 함량되어 있는 것으로 확인된다. 즉, 나노버블 이산화탄소가 용해된 회수수를 사용한 모르타르 시편은 다른 배합수를 사용한 시편보다 수산화칼슘의 함량은 낮으며 탄산칼슘의 함량은 높게 나타났다. 이는 나노버블 이산화탄소 수돗물을 사용하였을 때보다 더 많은 양의 수산화칼슘이 반응하여 탄산칼슘을 생성한 것으로 판단되며, 압축강도 증진에 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 레미콘 회수수의 효율적이며 친환경적으로 재이용할 수 있는 방안을 제시하고자 압력을 가하지 않은 일반적인 조건에서 레미콘 회수수에 나노버블을 사용하여 이산화탄소를 용해시켰으며, 이를 건설재료로의 활용 가능성을 확인하기 위해 배합수로 사용하여 모르타르를 제조한 후 압축강도 및 열중량 분석을 실시하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 일반적인 조건에서 레미콘 회수수에 이산화탄소를 반응시키고자 나노버블 기술을 적용하여 회수수에 이산화탄소를 용해시켰으며, 주입 3시간 경과 후 회수수 내 이산화탄소가 2,464 mg/L 용해되었으며, pH는 6.34로 중화된 것으로 확인되었다.
(2) 레미콘 회수수의 건설재료 활용 가능성을 확인하기 위하여 나노버블을 통해 이산화탄소가 용해된 레미콘 회수수를 배합수로 한 모르타르를 제작하였으며, 압축강도 측정 결과 일반 수돗물을 사용한 모르타르보다 32.02 %의 강도 증진이 나타난 것으로 확인되었다. 이에 따라 레미콘 회수수 내 존재하는 이산화탄소에 의해 탄산화 반응으로 생성된 탄산칼슘이 모르타르 내부 공극을 채워 일반 수돗물 대비 높은 압축강도가 나타난 것으로 판단된다.
(3) 이산화탄소가 용해된 레미콘 회수수를 사용한 모르타르의 열중량 분석 결과 일반 수돗물 대비 수산화칼슘 함량은 감소하고, 탄산칼슘 함량은 증가된 것으로 확인되었다. 이에 따라 레미콘 회수수 내 용해되어 있는 이산화탄소가 수산화칼슘과 반응하여 탄산칼슘이 생성된 것으로 판단된다.
(4) 본 연구를 통해 레미콘 회수수에 나노버블 기술을 적용하여 일반적인 조건에서 이산화탄소를 용해시킬 수 있으며, 친환경적인 중화처리가 가능할 것으로 판단된다. 또한, 이를 콘크리트 배합수로 사용할 경우, 지구온난화의 원인물질인 이산화탄소와 환경오염 유발물질인 레미콘 회수수를 자원순환형 건설 재료로써 재이용함에 따라 탄소중립 실현에 이바지할 수 있을 것이라고 판단된다.
