폐기물을 사용한 도자기 소지 개발 = A study on the development of ceramic body using waste

국문 초록 (Abstract)

현재 우리가 살고 있는 세계는 인류가 영위하기 위한 여러 조건들이 중대 기로에 서 있다. 보다 윤택하고 풍요로운 삶을 바라는 인류는 산업혁명 이후부터 대량생산, 대량소비의 체제를 유지하고 있고, 특히 경제적 이유에서 더욱 과잉의 생산 및 소비만을 추구하게 되었다. 이는 심각한 유효 자원의 고갈, 생산 공정에서의 많은 에너지의 소비, 소비 자원의 폐기에 의한 환경오염 등을 유발시키게 되었다. 따라서 이러한 사항들이 안정되고 지속가능한 사회를 유지하기에 매우 큰 걸림돌로 작용하게 되었다.
이러한 사실에 대해 이미 1960년대부터 인류는 수반되는 다양한 문제를 인식하고, 이를 해결하고자 자원 절약, 에너지 절약을 통한 오염 발생원의 감소, 대체 에너지의 개발, 폐기물의 재활용화 및 자원화, 지구 온난화 방지기술 등의 연구가 범국가적 차원에서 진행되어 다양한 성과를 거두고 있다. 그러나 이러한 일들의 진행에는 막대한 에너지가 소비되고 경제성 부족 등의 이유로 실용화 단계에는 미치지 못하고 있는 것이 현실이다. 하지만 이와 관련된 연구는 지속되고 있으며, 그 성과는 조만간 실용화로 나타날 것으로 예상된다. 이러한 노력의 일환으로, 고갈 에너지 자원을 대체할 수 있는 태양열과 같은 순환 무한자원의 에너지화, 저품위 자원의 고품위화 기술, 해양 등에서의 대체 자원의 탐색 등이 진행되고 있으며, 사용자원의 재활용화에 대한 연구가 진행되고 있다. 사회적으로도 3R(Reduce, Recycle, Reuse) 운동이 주창되어져 활발하게 활동되어지고 있으며, 산업계에서도 제품 생산시 디자인에서부터 라이프사이클 어세스먼트(LCA)와 재제조(Remanufacture)를 고려하여 제품을 생산하고 있다.
특히 자원의 대체와 환경오염의 저감을 목적으로 폐기물의 재활용에 대해 많은 관심을 가져, 기존 자원이나 제품에 비해 특성이 낮지 않고, 유용자원의 매립을 최소화하여 2차적인 오염물질의 발생이 없고, 재활용 자원 및 제품 시장을 크고 안정적으로 하며, 기존 제품에 비해 경제성이 있는 다양한 친환경 제품의 제조공정 개발이 진행되고 있다.
이에 본 연구자는 이러한 점에 주안하여 우리들이 생활이나 산업현장에서 사용하고 회수하지 못하고 전량 직매립 등에 의해 폐기되고 있는 일반폐기물에 대해 무해화, 안정화된 전처리 공정을 확립하고 그에 따른 무기계 원료로의 전환을 시도하여 이를 사용한 친환경 도자기 소지용 원료로서의 재활용을 위한 연구를 진행하였다.
첫 번째 실험으로서, 폐기물의 재활용과 환경오염 방지를 위해 폐기되는 돼지뼈를 사용하여 청자소지에 사용할 bone ash의 최적 제조 조건에 대해 연구하고, 이를 이용해 청자 bone 소지를 제조해 본 결과, 돼지뼈는 하소에 의해 대부분이 hydroxy apatite로 전환되었다. 이 때 최적의 분쇄 효율을 나타낼 수 있는 하소 온도는 800℃였으며, 알카리 제거를 위한 최적의 boiling 시간은 4시간이었다. 이 돼지뼈를 이용한 bone ash를 사용해 청자소지와 조합하여 소성한 결과, 미세구조에서는 anorthite와 β-Ca3(PO4)2 결정상이 생성되었으며, 흡수율은 0.17%까지 감소하여 본(bone) 소지로의 활용이 가능할 것으로 판단되었다. 이에 청자소지에 pig bone ash, CaCO3, 규석, 점토 등을 첨가하여 만든 각 본(bone) 소지를 조합하여 실험한 결과, pig bone ash 8%, CaCO3 9% 첨가한 조성에서 환원분위기에서 1240℃로 소성한 소지가 흡수율 0.10%, 굽힘강도 683.21㎏f/㎠로 가장 우수한 특성치를 나타내어 그 활용이 기대되었다.
두 번째 실험으로서, 웰딩 공정 후 전량 매립 폐기처분되고 있는 세라믹 웰딩백킹재를 신 세라믹소지로 재활용하는 실험을 행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
기본소지를 정하고 여기에 폐웰딩백킹재를 첨가하여 그 특성을 평가하였다. 폐웰딩백킹재의 함량 증가에 따라 Fe 등의 불순물의 증가 영향으로 색상과 소성 후의 특성에 영향을 미치는 것으로 보여졌다. 또한 본 연구 범위에 있어서 RWB-2~4의 조성(폐웰딩백킹재(W.B.M) 20~50% 첨가 조성, 1250℃ 소성)에서 기공율 2.27~5.94%, 흡수율 0.99~3.96% 그리고 굽힘강도 720~810kgf/㎠를 나타내어 세라믹 블록으로의 적용이 가능할 것으로 판단되었다. 이 중 탈철과정을 거친 RWB-4에 각 색상의 안료를 3wt% 첨가하고, 1250℃ 소성한 시험편에서 폐웰딩백킹재를 이용한 칼라블럭으로의 적용도 가능할 것으로 판단되었다.
세 번째 실험으로서는, 전량 직매립에 의해 폐기처분되고 있는 정수슬러지를 하소하여 샤모트 대용으로 물레성형이 가능한 도자기소지용 조합토의 원료로서 재활용하는 실험을 행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
정수슬러지를 열처리한 결과, 1150℃ 이상에서 mullite를 주결정상으로 하는 하소분이 되어 세라믹 원료로의 재활용이 가능하나, 조합토 원료로서 활용하기 위해 열처리온도는 일반적인 도자기 소성온도보다 높은 1300℃로 정하여 진행하였다. 이 정수슬러지 하소분의 함량 증가에 따라 가소성은 감소하여 PBF-3까지는 물레성형이 가능하나, 그 이상의 조성에 있어서는 성형이 어려웠다. 본 실험의 범위 내에서는 정수슬러지 하소분을 20~30% 혼합한 1280℃의 PBF-2와 PBF-3 조성에서 물레성형이 가능하고, 흡수율, 기공율 2% 이내의 850kgf/㎠에 가까운 높은 강도값을 나타내어, 이에 기존 조합토를 대체할 수 있는 소지로서 활용이 가능할 것으로 판단되었다.
이와 같이 폐기물을 재활용한 새로운 도자기용 소지를 개발하는 본 연구는 새로운 친환경 도자기의 제조를 가능하게 해주며, 우리 일상생활과 산업 전반에서 발생하고 있는 폐기물의 대량 발생, 폐기절차에 의한 경제적 부담, 환경오염에 대한 문제 등을 해결하는데 조금이나마 도움이 될 수 있을 것으로 확신한다. 또한 보다 다양한 폐기물의 재활용 및 다양한 기능성 있는 친환경 도자기용 소지의 지속적인 개발은 도자기산업 뿐만 아니라 타일, 벽돌, 기와 등의 많은 관련산업에도 큰 기여를 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The enormous energy consumption from manufacturing processes and disposal of consumed resources have resulted in a serious depletion of resources and environmental destruction. Humans recognized these issues from the 1960s, and nation-wide efforts have been made in order to reduce pollutants through energy saving, to develop alternative energy, to recycle waste, and to study technologies for preventing global warming. At the societal level, the 3R—Reduce, Recycle, and Reuse—movement is actively promoted, while the industrial sector manufactures products in consideration of life-cycle assessment and remanufacturing from the design phase. A significant attention is paid to waste recycling in order to reduce environmental pollution and substitute the resources. As a result, new manufacturing process is being developed for making diverse green products, which have equal quality as and better economic feasibility than existing ones, prevent secondary pollutants by minimizing the landfill of useful resources, and are able to expand and stabilize the market.
This study attempts to establish a stable pretreatment and harmless treatment process for general waste, which is now directly land-filled rather than collected and reused in our lives or in industrial sites, in order to convert such waste into inorganic raw materials for an eco-friendly ceramic body.
The first experiment was designed to recycle the used pig bone, which was generally discarded, for the bond ash in celadon body. The optimal boiling time for alkali removal was four hours and the celadon body displayed anorthite and β-Ca3(PO4)2 in its microstructure after firing. For the celadon body, the bond ash, which is from the pretreated pig bone, was mixed with CaCO3, silica, and clay. The celadon body with 8% of pig bone ash and 9% of CaCO3 sintered at 1240℃ in a reducing atmosphere has shown the most outstanding properties with 0.10% of absorption rate and 65.23㎫ of strength.
The second experiment attempted to recycle ceramic welding backing material, which is a mainly mullite polluted with the iron oxide. In this experiment, the waste welding backing material was added as the subsidiary to the basic body material for ceramics. The ceramic body material with 20-50wt% of waste welding backing materials and fired at 1250℃displayed porosity of 2.27-5.94%, absorption rate of 0.99-3.96%, and bending strength of 720-810kgf/㎠, indicating their possibility to be used as ceramic blocks. Furthemore, after the de-ironing process, the waste welding backing material has enough whiteness to be utilized as a color block with the addition of 3wt% color pigment.
The third experiment attempted to recycle the purified sludge, which is currently discarded through direct landfill, as an alternative of chamotte in ceramic body. The major crystalline structure was idenfied as mullite after the calcination over 1150℃. The body materials containing with 20-30wt% of calcined purified sludge enabled wheel throwing and the sintered body displayed a high strength of 850kgf/㎠ with less than two percent of porosity and absorption rate.
This study, which attempted to develop new ceramic body by recycling waste, will enable the production of eco-friendly potteries and provide assistance in addressing diverse issues, including the massive amount of waste generated from our daily lives and industries, the economic burden posed by waste disposal, and environmental pollution. Further, continued development of green ceramic bodies with various functions and recycling of diverse waste will significantly contribute not only to the ceramic industry but also to the related sectors, including tiles, bricks, and roofing tiles.

목차 (Table of Contents)

• List of figures ⅳ
• List of tables ⅶ
• 국문초록 ⅷ
• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적배경 7
• 2.1 폐기물 7
• 2.1.1 국내 폐기물의 정의 및 분류 7
• 2.1.2 국외 폐기물의 정의 및 분류 15
• 2.2 국내 폐기물 관리정책 19
• 2.2.1 국내 폐기물 관리정책의 변화 19
• 2.2.2 국내 자원재활용 정책 21
• 2.2.3 국내 자원재활용 체계 및 현황 22
• 2.2.4 국내 자원재활용으로의 노력 23
• 2.3 무기폐기물의 재자원화에 관한 연구 24
• 2.4 본 연구에서 다루어질 폐기물에 관한 고찰 30
• 2.4.1 돼지뼈 30
• 2.4.2 웰딩백킹재 31
• 2.4.3 정수슬러지 33
• 제3장 제1실험 35
• 3.1 서론 36
• 3.2 실험방법 37
• 3.2.1 돼지뼈를 이용한 본애쉬(bone ash)의 제조 37
• 3.2.2 돼지뼈로 제조된 본애쉬를 첨가한 청자 본소지의 제조 37
• 3.3 결과 및 토론 39
• 3.3.1 돼지골회(Pig bone ash) 제조 39
• 3.3.2 청자 본소지 제조 43
• 3.4 결론 50
• 제4장 제2실험 51
• 4.1 서론 52
• 4.2 실험방법 53
• 4.2.1 출발원료 53
• 4.2.2 실험방법 55
• 4.2.3 특성분석 55
• 4.3 결과 및 토론 57
• 4.3.1 DT-TG 분석 57
• 4.3.2 물성분석 58
• 4.3.3 색소지로의 적용 62
• 4.4 결론 63
• 제5장 제3실험 64
• 5.1 서론 65
• 5.2 실험방법 67
• 5.2.1 출발원료의 준비 67
• 5.2.2 실험방법 70
• 5.2.3 특성분석 70
• 5.3 결과 및 토론 72
• 5.3.1 가소성 분석 72
• 5.3.2 물성분석 72
• 5.4 결론 80
• 제6장 종합결론 81
• References 83
• Abstract 90