굴 패각과 Alunite를 활용한 Calcium Sulfoaluminate(CSA) 합성
Synthesis of Calcium Sulfoaluminate Cement (CSA) from Alunite and Waste Oyster Sea Shells
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초록
패각류는 여러 산업에서 부산물로 활용하고 있으며, 그 중, 굴패각의 경우는 37~70% 차지하고 있다. 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)에대한 지속 가능한 대안으로 환경에 미치는 영향이 낮은 칼슘설포알루미네이트(Calcium sulfoaluminate, 이하 CSA) 시멘트를 합성하는데 사용하는 방법을 연구한다. 굴패각은 다공성 미세 구조로 인해 석회석보다 낮은 온도에서 분해되어 CO2 방출을 촉진한다. 더불어 명반석(alunite, (KAl3(SO4)2(OH)6)은 2가지 주요 분해 단계를 거치는데, 2중 탈수화(500~580℃)와 탈황(580~780℃) 단계이다. 본 연구에서 CSA 합성 시, 명반석과 굴패각을 사용하여 1,100~1,250℃에서 성공적으로 합성되었으며, 최적의 몰 비율은 1/10이다. 굴패각을 사용한 경우, 800℃에서 ye‘elimite(Ca4(AlO2)·6SO4)가 형성되며, 이는 석회석을 사용할 때의 950℃보다 현저히 낮아 에너지 효율이 향상된다. 클링커는 염화칼슘과 염화나트륨의 휘발로 인해 염화물 함량이 감소했다. 압축 강도 시험 결과, 10% CSA와 혼합된 OPC는 28일 경과 후, 73.55 MPa의 우수한 압축 강도를 보였으며 지속 가능한 시멘트 생산을 위한 실행 가능한 대안이 될 수 있음을 확인했다.
Abstract
Oyster shells, a major by-product of the shellfish industry (37~70% of an oyster’s mass), generate substantial waste. This study investigates their use in synthesizing calcium sulfoaluminate (CSA) cement, a sustainable alternative to ordinary Portland cement (OPC) with lower environmental impact. Oyster shells decompose at lower temperatures than limestone due to their porous microstructure, facilitating CO₂ release. Alunite undergoes two decomposition stages: dihydroxylation (500~580℃) and desulfurization (580~780℃). CSA was successfully synthesized using alunite and oyster shells at 1,100~1,250℃, with an optimal molar ratio of 1/10. Ye’elimite(Ca4(AlO2)·6SO4) formation occurred at 800℃ when oyster shells are used, significantly lower than 950℃ for limestone, improving energy efficiency. The clinker exhibited reduced chloride content due to the volatilization of calcium and sodium chlorides. Compressive strength tests demonstrated that OPC mixed with 10% CSA exhibited significantly higher compressive strength, achieving 73.55 MPa at 28 days, thereby confirming its potential as a viable and sustanible alternative in cement.