석탄 기반 제품은 콘크리트의 모래를 대체할 수 있습니다.

물 다음으로 가장 많이 소비되는 물질인 콘크리트에 대한 전 세계의 의존은 환경 및 자원 위기를 초래하고 있으며 모래 채굴 속도가 자연 보충을 능가하고 있습니다.

라이스 대학 연구진의 연구에 따르면 석탄 기반 제품인 야금 코크스에서 추출한 그래핀이 시멘트의 강화 첨가제 역할을 할 뿐만 아니라 콘크리트의 모래를 대체할 수도 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

Rice의 TT 및 WF Chao 교수이자 화학, 재료 과학 및 나노공학 교수인 James Tour는 “이것은 세계에서 가장 큰 산업 중 하나에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.”라고 말했습니다. “우리는 그래핀 골재 대체재를 사용하여 만든 콘크리트와 적합한 모래 골재를 사용하여 만든 콘크리트를 비교한 결과, 우리의 콘크리트가 25% 더 가볍지만 그만큼 견고하다는 것을 발견했습니다.”

모래, 자갈 등의 골재를 시멘트, 물과 결합시켜 만든 콘크리트는 도시 발전에 꼭 필요한 요소입니다. 2050년까지 전 세계 인구의 68%가 도시 지역에 거주할 것으로 예상됨에 따라 콘크리트 및 모래 채굴에 대한 수요가 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 이는 지난 20년 동안 3배 증가하여 연간 약 500억 톤에 달합니다. 그러나 이는 상당한 환경 비용을 초래합니다.

콘크리트의 핵심 구성요소인 시멘트 생산은 전 세계 이산화탄소 배출량의 8%를 차지합니다. 게다가 대부분 규제되지 않는 모래 채굴은 강과 해안 생태계에 심각한 위협을 가하고 있습니다. 2022년 유엔 보고서에 따르면 모래에 대한 수요 증가는 인구 증가 및 도시 확장과 결합되어 곧 “모래 위기”를 촉발할 수 있습니다.

Tour 연구소는 야금 코크스에 고유한 줄 가열 기술을 적용하여 콘크리트의 모래를 대체할 수 있는 일종의 그래핀을 만들었습니다.

“야금 코크스가 그래핀으로 전환된 초기 실험에서는 모래와 비슷한 크기의 물질이 탄생했습니다.”라고 이번 연구의 주요 저자이자 라이스 박사 졸업생인 Paul Advincula는 말했습니다. “우리는 콘크리트에서 모래를 완전히 대체하기 위해 야금학적 코크스 유래 그래핀의 사용을 조사하기로 결정했으며, 우리의 연구 결과는 그것이 정말 잘 작동할 것이라는 것을 보여주었습니다.”

기존 콘크리트와 그래핀 집합체로 만든 콘크리트를 비교한 테스트에서는 유망한 결과가 나타났습니다. 그래핀 기반 콘크리트는 표준 콘크리트의 기계적 특성과 일치할 뿐만 아니라 더 높은 중량 대비 강도 비율을 제공합니다.

Tour 연구소에서는 하이브리드 탄소 나노물질 합성, 배터리 부품 재활용, 석탄 비산회에서 중금속 제거 등 다양한 응용 분야에 Flash Joule 가열을 사용했습니다.

“이 기술은 이전 방법보다 더 빠르고 더 큰 규모로 그래핀을 생산합니다”라고 Advincula는 말했습니다.

천연 모래에 대한 의존도를 줄이고 콘크리트 산업의 탄소 배출을 줄일 수 있는 잠재력을 갖춘 이 신기술은 보다 지속 가능한 도시 개발 관행으로 이어질 수 있습니다.

Tour는 “그래핀 가격이 이를 실현할 수 있을 만큼 낮아지려면 시간이 좀 걸릴 것”이라고 말했습니다. “그러나 이는 우리가 추구할 수 있는 대안이 있다는 것을 보여줍니다.”

이번 연구의 교신저자이자 토목환경공학과 기계공학 교수인 사티시 나가라자야(Satish Nagarajaiah)는 “콘크리트의 30%가 모래로 구성되어 있는데, 이는 상당 부분을 차지한다”고 강조했습니다.

“우리가 ‘모래 위기’ 위기에 처해 있다는 사실은 우리가 대안을 찾도록 동기를 부여하며, 콘크리트 비용의 약 10%로 모래와 가격이 거의 비슷한 야금 코크스는 더 나은 환경을 조성하는 데 도움이 될 수 있습니다. – 고품질 콘크리트는 물론 상당한 비용 절감 효과도 얻을 수 있다고 Nagarajaiah는 말했습니다.

이 연구는 미 육군 공병대, 엔지니어 연구 개발 센터(W912HZ-21-2-0050), 공군 과학 연구실(FA9550-22-1-0526) 및 국립 과학 재단의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240126140529.htm