기술기사 1 _ Technical Articles
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한국건설순환자원학회지1. 서 언
전 세계적으로 환경보전 및 에너지 절약을 목표로 하는 친환경적이며 지속가능한 개발의 패러다임 이 확산되면서 건설 산업 전반에서도 이에 대한 인식과 요구가 증대되고 있다. 2002년 교토의정서를 비준한 한국은 1997년 당시 기후변화 협약상 개발도상국으로 분류돼 온실가스 배출감소의무가 유예 됐지만 2013년부터는 배출 규제가 불가피해진 상태이다. 또한 한국은 세계 10위의 온실가스 배출국 으로 현실적으로 막대한 환경개선부담금을 지불해야할 상황에 처해있는 상태이다. 한편, 매년 세계 에너지소비의 약 40%가 건설 분야에서 소비되고 있으며, 우리나라의 경우도 전체 에너지 소비의 약 26%를 건설 산업이 차지하고 있다. 특히, 지구온난화의 주된 원인이 이산화탄소로 알려짐에 따라 생 애주기 분석에 따른 건설 활동에 의해 발생하는 이산화탄소 저감을 고려한 콘크리트 구조물 설계 관 리방안이 요구되고 있다. 콘크리트의 주원료인 시멘트는 생산으로부터 방출되는 온실가스의 양이 매 해 13.5억 톤에 달하며, 이는 전 세계 대기 온실가스의 7%에 해당하는 수준으로 대체 재료가 시급한 실정이다.
최근 시멘트 대체 재료로써 슬래그와 플라이애쉬 등의 산업부산물이 각광받고 있으나 자체의 수화반 응성이 없어 대부분의 경우 시멘트의 일부분을 치환하는 재료로만 사용되고 있으며, 알칼리 활성제를 이용하여 시멘트 전량을 산업부산물로 대체하는 친환경 무시멘트 콘크리트가 개발되기도 하였다.
한편, 재료적인 측면 뿐 아니라 콘크리트를 이용한 친환경 시스템 구성에 관한 연구도 꾸준히 진 행되고 있는데, 이들 중 콘크리트에 식물이 자랄 수 있는 환경을 부여하는 연구도 활발하게 진행되고 있다. 콘크리트에서 식물을 자라게 하기 위해서는 충분한 공극이 필요하며, 콘크리트가 가지는 알칼 리성을 중화할 필요가 있다. 이러한 조건들을 만족시키기 위해 여러 가지 기술들이 제안되고 있다.
수용성 폴리머 수지를 활용한 무시멘트 콘크리트 식생블럭과 수질정화용 미생물을 결합한 친환경 수질정화 시스템
Water purification system by using water-soluble polymer based cementless concrete eco-block and effective micro-organism
김종우 Jong-woo, Kim (주)바이텍코리아
남진원 Jin-won, Nam (주)바이텍코리아
김성배 Sung-bae, Kim (주)바이텍코리아
제8권 제2호
2013. 06 27
본 고에서는 환경부하를 최소화 할 수 있는 친환경 무시멘트 콘크리트를 이용하여 식생 블록을 제조하고, 수질 정화에 사용되는 미생물 및 식물과 결합하는 친환경 수질 정화 시스템에 대해 알아보고자 한다.
2. 무시멘트 콘크리트 식생블럭
최근 친환경 콘크리트에 대한 관심증가와 함께 콘크리 트 산업체들은 보통 포틀랜드 시멘트 제조 시 방출되는 이산화탄소 감축을 위한 기술개발을 위해 노력 중에 있 다. 환경문제가 사회적으로 이슈화됨에 따라 전 세계적으 로 콘크리트를 제조할 때 시멘트를 사용하지 않고 플라이 애쉬와 고로슬래그 등 산업부산물을 이용하는 무시멘트 콘크리트 개발에 관한 연구가 주목 받고 있다. 알루미늄 과 실리카 성분을 다량으로 함유하고 있는 플라이애쉬나 고로슬래그와 같은 잠재적 알칼리성 무기질 재료와 알칼 리 활성제를 이용하여 시멘트가 없는 결합재의 개발이 이 루어지고 있다.
1970년대를 통해 유럽에서 알칼리 활성 슬래그 시멘트 에 대한 연구가 진행되었으며, 1987년 이후에는 유럽 및 미국의 많은 산업분야에서 적용되고 있다. 1970년대 말 에는 인공 지오라이트에 관련된 지질학적 재료들인 플라 이애쉬 및 메타카올린을 알칼리 활성화시킴으로서 지오 폴리머라는 용어가 등장하였으며, 플라이애쉬 및 메타카 올린 기반의 지오폴리머 시멘트는 알칼리 활성 슬래그 시 멘트와는 달리 칼슘-실리카-수화물 겔(CSH gel)의 수화 생성물을 형성하지 않게 된다. 현재 무시멘트 콘크리트의 제조방법 및 특성은 사용하는 결합재, 활성화제 그리고 양생방법 등에 따라 차이가 있고, 주로 알칼리 활성 콘크 리트(alkali-activated concrete) 및 지오폴리머 콘크리 트(geopolymer concrete)로 불리고 있다.
국내에서는 1997년 이후 인간에게 유익한 성분들을 함 유하고 있을 뿐만 아니라 국민정서에도 친숙한 황토를 치 환한 콘크리트를 개발하기 위해 연구가 진행중이다. 그러 나 황토의 치환율은 20~30% 이하로 제한적이며, 시멘트 치환재료로 사용하기 위해서 고온(850℃)에서 소성하는
과정이 필요해 이산화탄소 저감에는 큰 효과를 기대하기 어려운 실정이다. 또한, 최근 국내에서도 알카리 활성제 를 이용한 무시멘트 콘크리트에 대한 연구가 학계와 정부 연구기관을 통해 개발되고 있다. 그러나 알칼리 활성 시 멘트나 지오폴리머 시멘트는 높은 pH를 갖는 알칼리 활 성제에 의해 알루미늄과 실리카 성분의 용해와 합성에 의 한 경화기구를 기본으로 하여 식물이나 생물의 생장이 어 렵고 인체에 유해한 한계성을 갖고 있다. 식생콘크리트 제품은 시멘트의 높은 알칼리성분의 용출로 식물의 생장 이 어려우며, 수질생태계의 교란을 발생시키게 된다.
기존의 식생블럭은 시멘트를 주원료로 사용하기 때문 에 시멘트의 주성분인 C2S 및 C3S에 의해 수화반응시 발생되는 수산화칼슘에 의해 높은 pH(약 12.5의 강알칼 리)를 나타내어 식물의 생장이나 수생태계의 생물의 서식 지로 활용하는 식생콘크리트로 사용하기 위해 이인산암 모늄 등으로 중성화 처리 후 식생에 적용하기 때문에 비 용뿐 아니라 제품 생산 공정상 소요기간이 길어지게 되 는 단점이 있다. 또한, 실질적으로 이인산암모늄 등으로 중성화 처리를 하여도 pH는 약 9정도로 식물과 미생물의 서식환경으로서 높은 수치가 된다.
한편, 알칼리 활성 콘크리트는 산업부산물을 활용하고 수화생성물이 생성되지는 않지만 경화반응을 일으키는 알칼리 활성화제에 의해 약 11~12의 pH 농도를 보여 식 생 콘크리트로 적용하기에 한계가 있다.
본 고에서 소개하고자 하는 기술은 산업부산물인 고로슬 래그나 플라이 애쉬, 혹은 천연재료인 황토를 사용하여 시 멘트의 일부분으로 치환하는 개념이 아닌 시멘트를 전혀 사용하지 않고 산업부산물을 100% 이용하는 친환경 콘크 리트에 대한 기술이며, 결합재로는 수용성 폴리머가 사용 된다. 수용성 폴리머를 사용하는 무시멘트 콘크리트 제품 은 플라이 애쉬 등의 산업부산물과 수용성 폴리머 수지를 사용하기 때문에 시멘트를 사용한 재료에 비해 매우 가벼 우며, 경화과정에서 수화반응이나 분자의 재배열 등의 변 화가 발생하지 않아 인체에 유해한 물질이 생성되지 않는 다. 또한 pH가 중성에 가까워 별도의 중성화 처리 없이도 식생에 적용이 가능하며, 용제가 물인 친환경 폴리머 수지
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한국건설순환자원학회지를 사용하기 때문에 환경적인 영향이 없으며 수화생성물이 생성되지 않아 수중에서도 유해물질이 용출되지 않게된다.
결합재로서 수용성 폴리머 수지가 사용되기 때문에 마모저 항성이 우수하고, 고탄성의 성질을 갖고 있어 겨울철 동결 융해에 대한 저항성도 우수하게 된다.
수용성 폴리머 수지와 플라이 애쉬 등의 산업부산물을 활용한 친환경 고탄성 무시멘트 콘크리트는 미관상 안정 성도 우수하여 호안, 도로변의 조경공사, 콘크리트 벽면 녹화 등에 폭넓게 이용될 수도 있다. 또한, 수중에서 사 용이 가능하고 녹조류 등의 해양식물도 콘크리트에 서식 이 가능하여 양식사업과 유기물분해에 의한 수질정화도 기대할 수 있다.
3. 수질정화용 바이오 블럭
최근 수생식물을 이용한 수처리는 물리·화학적 방법 에 비해 경제적이고 처리 수질이 양호하며,
식물을 재이용할 수 있다는 장점으로 인하 여 활발한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 하지만, 개별처리 시설이 필요한 소규 모 주거단지와 오·폐수가 다량으로 배출되 는 농·축산농가, 하천의 오염 저감을 위한 인공습지나 생태기능을 복구하기 위한 자연 형 하천사업을 위한 기초적인 연구는 부족한 실정이다. 현재 수질정화 및 환경복원용 다 공성 콘크리트 제품은 단순히 시간적 흐름에
따른 자연적 생태복원 효과만을 기대하고 있 는 실정이다. 일부 식물이 서식할 수 있는 식 생콘크리트를 개발하여 적용하고 있으나 시 멘트의 높은 알칼리성분의 용출로 식물의 생 장이 어려우며, 식물자체만으로는 오염된 수 질을 정화시키기에는 한계가 있게 된다. 미 생물을 활용하는 시스템의 경우에는 미생물 을 수계에 살포하는 수준으로 지속적인 효과 를 기대하기 어렵다. 현재 식물과 미생물에 의한 정화시설은 각각의 개별적인 시스템으 로 운영이 되고 있으며, 환경에 따라 처리 효율에 차이를 보이게 된다.
시멘트를 사용하지 않고, 수용성 폴리머를 결합재로 사 용하게 되는 친환경 콘크리트를 이용하여 수질정화용 바 이오 블록을 제조하게 되는 경우에는 수화반응이나 분자 재배열 등의 변화가 발생하지 않아 미생물과 식물의 생장 이 가능한 환경조건이 구성되어 식생블럭에 미생물을 결 합한 형태의 정화 시스템을 구성할 수 있게 된다. 친환경 식생블럭에 미생물을 결합하게 되는 바이오블럭은 블럭 에 결합된 미생물을 이용하여 생물학적으로 유해한 유기 화합물을 무해한 물질로 변화시키고, 유해한 무기질은 구 조를 단순화하여 안전한 물질로 변화시키게 된다. 식물과 어류의 생장이 가능하고 미생물이 콘크리트 내부에서 장 기간 생존 및 증식이 가능하여 식물과 미생물에 의한 수 질정화 작용이 가능한 자연친화적인 환경복원 시스템을 구성하게 되는 것이다.
그림 1. 다공성 바이오 식생블럭의 기본 개념도
그림 2. 식생 및 미생물의 수질정화 메카니즘
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4. 바이오 블록을 이용한 친환경 수질정화 시스템
수용성 폴리머와 산업부산물을 활용하여 제조되는 친환 경 무시멘트 콘크리트 식생 블록은 자원재활용 측면과 시
멘트 대체 재료라는 측면에서 CO2 발생량을 저감 할 수 있는 친환경 기술이다. 또한 식생 블록에 미 생물을 결합한 바이오 블록은 식물에 의해 1차 오 염원을 제거하며, 블록에 결합된 미생물을 이용하 여 생물학적으로 유해한 유기화합물을 무해한 물 질로 변화시키고, 유해한 무기질은 구조를 단순화 하여 안전한 물질로 변화시키는 친환경적인 환경 복원 시스템을 구성하게 된다.
친환경 무시멘트 바이오 블록을 이용하는 친환 경 수질 정화 시스템은 BOD 오염부하량이 높은 축산농가 폐수나 생활 폐수, 낚시터, 양식장, 공장 폐수, 골프장, 유가공 폐수 발생 공장, 비점오염원 의 처리 저류조 등에 적용할 수 있으며, 특히 N, P, 중금속 등의 오염원 처리에 효과적이다. 또한, 기본적으로 식생에 유리한 환경조건을 제공하기 때문에 하천정비를 위한 호안블럭, 도로변의 조경 공사, 콘크리트 벽면 녹화 현장 등에 폭넓게 이용 이 될 수 있다.
5. 결언
산업부산물과 수용성 폴리머를 사용하여 제작 되는 바이오 블록을 적용하는 친환경 수질정화 시 스템이 활성화 된다면 제조업 분야의 친환경 제조 및 생산 기술력을 확보하게 되고, 온실가스 저감 을 위한 외국기술 도입에 따른 외화 유출을 방지 하게 된다. 또한, 탄소저감 효과로 온실가스 배출 에 의해 발생하는 이상기후를 예방하는 효과도 기 대할 수 있다. 미생물에 의한 수질정화 효과로 화 학약품에 대한 2차 오염 방지할 수도 있으며, 환 경오염 저감으로 인한 안정적인 수질을 확보하고 친환경적인 하천생태계를 유지할 수 있게 된다.
앞으로 수질정화 시스템을 구성하는 다양한 친환경적 인 기술이 연구되어, 다양한 분야에 적용될 수 있기를 희 망해본다.
그림 3. 무시멘트 콘크리트 블록을 이용한 친환경 수질정화 시스템의 개념도
그림 4. 친환경 바이오 블록을 이용한 수질 정화 시스템 적용 예시
그림 5. 친환경 바이오 블록의 활용 분야
