셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 혼입한 다공성 콘크리트의 오염물질 흡착·제거성능 특성에 관한 연구 :A Study on the Characteristics of Pollutant Adsorption and Removal Performance of Porous Concrete with Cellulose Nanofibers (CNF)

이수정

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이수정 (금오공과대학교, 금오공과대학교 대학원)

지도교수: 김우석

발행연도: 2023

저작권: 금오공과대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

CNF혼입 다공성 콘크리트의 오염물질 흡착 및 제거성능

이수정 , 김우석 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2023.05 학술대회자료

셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 혼입한 다공성 콘크리트의 오염물질 흡착·제거성능 특성에 관한 연구

이수정 건축공학과 2023.01 학위논문

2022

나노셀룰로오스 활용 콘크리트의 오염물질 흡착성능 특성 고찰

이수정 , 이지윤 , 김우석 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2022.05 학술대회자료

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미세먼지 등 대기 중의 오염물질과 관련해 국민의 경각심이 높아지면서, 우리나라는 탄소중립을 선언하고 미세먼지 계절관리제를 도입하였다. 그로 인해 각 분야에서 대기오염물질을 적극적으로 저감하기 위해 다양한 노력을 기울이고 있으며, 그에 따라 연평균 PM2.5 농도가 감소하는 추세를 이어가고 있으나, 아직 세계 보건 기구(WHO)의 연간 지침을 준수하지 못하는 실정이다.
이를 해결하기 위해 건설 분야에서도 미세먼지와 같은 오염물질의 저감을 위한 친환경 건설공법 및 건설재료 개발이 진행되고 있으며, 그중에서도 다공성 콘크리트는 다수의 공극과 넓은 표면적 특성을 가져 도로포장 및 식생 기반 시설 등에 사용하여 소음 흡수, 빗물 오염 및 유해가스 정화에 활용하고 있다. 이러한 환경적 이점에도 불구하고 기계적 강도가 낮아 교통량이 적은 도로, 주차장 및 보도에 주로 사용되며, 국내에서는 사용이 적은 실정이다.
바이오매스로부터 추출 가능한 나노셀룰로오스는 높은 기계적 강도, 친수성, 재생 가능성, 생분해성 등 많은 장점을 지닌 친환경 재료로서 다양한 분야에서 주목받고 있으며, 건설 분야에서는 주로 시멘트 재료에 사용되어 혼입 시 시멘트 복합체의 기계적 성능개선 및 내구성 등에 미치는 영향에 관해 주로 연구되어왔다. 이러한 나노셀룰로오스 중의 하나인 셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 기계적 성능 개선을 위한 목적 외에도 섬유 직경 및 비표면적 조절을 통한 기계적 여과와 표면개질을 통한 화학적 흡착 성능을 지닐 수 있기 때문에 공기정화를 위한 흡착 필터로서의 연구가 보고되고 있다. 다만, CNF가 시멘트 복합체에 사용되었을 경우의 오염물질 흡착·제거 성능에 관해서는 연구가 미비한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 친환경 건설재료로서 다공성 콘크리트의 사용을 확대하고, 동시에 미세먼지와 같은 오염물질을 저감시키고자 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 혼입한 다공성 콘크리트를 제작하여 강도 및 내구성에 미치는 영향과 오염물질 흡착·제거 성능을 평가하고자 하였다.
이를 검토하고자 먼저 시멘트 복합체를 제조하여 CNF의 원료 및 혼입량에 따른 물리적·기계적 특성의 변화를 확인하였으며, SEM, FT-IR, XRD 분석을 통해 성능 변화 원인을 제시하였다. 이를 참고하여 CNF 혼입 다공성 콘크리트를 제조하고, CO2 및 미세먼지의 흡착·제거 성능에 대해 평가함으로써 오염물질 저감 성능개선 효과를 확인하였으며, 다공성 콘크리트의 사용범위 확장 검토 및 추가적인 성능개선 방안을 제시하였다.

As public awareness of air pollutants such as fine dust increased, Korea declared carbon neutrality and introduced a fine dust seasonal management system. Various efforts are being made to actively reduce air pollutants in each field, consequently, the annual average PM2.5 concentration continues to decrease, but the World Health Organization (WHO) has yet to comply with the annual guidelines.
To solve this problem, eco-friendly construction methods and construction materials are being developed in the construction field to reduce pollutants such as fine dust. Among them, porous concrete, which has a large number of pores and a large surface area, is used for road pavement and vegetation infrastructure to absorb noise, contaminate rainwater, and purify harmful gases. Despite these environmental advantages, it is mainly used on roads, parking lots, and sidewalks with low traffic due to low mechanical strength, and it is rarely used in Korea.
Nanocellulose, which can be extracted from biomass, is attracting attention in various fields as an eco-friendly material with many advantages such as high mechanical strength, hydrophilicity, renewable potential, and biodegradability. Cellulose nanofiber (CNF), one of these nanocellulose, can have chemical adsorption performance through mechanical filtration and surface modification by adjusting fiber diameter and specific surface area in addition to improving mechanical performance, so research is reported as an adsorption filter for air purification. However, research on the adsorption and removal performance of pollutants when CNF is used in a cement composite is insufficient.
Therefore, in order to expand the use of porous concrete as an eco-friendly construction material and at the same time reduce pollutants such as fine dust, porous concrete mixed with cellulose nanofibers (CNF) was produced to evaluate the effect on strength and durability, and the pollutant adsorption/removal performance.
To investigate this, we first manufactured cement composites to confirm changes in physical and mechanical properties due to raw materials and amount of CNF, and presented the causes of performance changes through SEM, FT-IR, and XRD analysis. Based on this, the effect of improving the performance of reducing pollutants was confirmed by evaluating the adsorption/removal performance of CO2 and fine dust. Moreover, the expansion of the use range of porous concrete and additional improvement measures were presented.

#셀룰로오스 나노섬유 #다공성 콘크리트 #오염물질 흡착·제거성능

제 1 장 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 연구의 범위 및 방법 3
제 2 장 기존 문헌고찰 연구 5
2.1 다공성 콘크리트 5
2.1.1 다공성 콘크리트 일반사항 5
2.1.2 다공성 콘크리트 연구사 6
2.1.3 다공성 콘크리트 특성 7
2.1.4 다공성 콘크리트 연구동향 9
2.2 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 15
2.2.1 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 일반사항 15
2.2.2 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 제조방법 17
2.2.3 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 특성 19
2.2.4 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 연구동향 23
제 3 장 CNF를 활용한 시멘트 복합체의 기초적 특성 연구 31
3.1 실험개요 31
3.2 실험계획 및 방법 31
3.2.1 사용재료 31
3.2.2 배합설계 34
3.2.3 실험계획 35
3.3 실험결과 및 고찰 37
3.3.1 물리적 특성 분석결과 37
3.3.2 기계적 특성 분석결과 39
3.3.3 형태학적 분석결과 41
3.3.4 화학적 분석결과 44
3.3.5 결정구조 분석결과 45
제 4 장 CNF 혼입 다공성 콘크리트의 물리적·기계적 성능 및 오염물질 흡착·제거성능 평가 47
4.1 실험개요 47
4.2 실험계획 및 방법 47
4.2.1 사용재료 47
4.2.2 배합설계 48
4.2.3 실험계획 49
4.3 실험결과 및 고찰 51
4.3.1 물리적 성능 평가 51
4.3.2 기계적 성능 평가 54
4.3.3 오염물질 흡착·제거성능 평가 55
제 5 장 결 론 58
[참고 문헌] 60

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