건설 산업부산물의 화학적 전처리와 습식광물탄산화 반응을 이용한 CO2 고정화에 관한 연구

Abstract

대기 중 온실가스의 농도는 최근에 급격히 증가하여 지구온난화와 기상이변을 가져왔고 그 피해가 증가하고 있다.(CDIAC, 2004) 대기 중 CO2 농도를 감소시키기 위해 현재 이산화탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture & Storage)에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 일부 CO2 가스의 포집기술은 일정수준 기술 축적이 이루어져 왔다.1) 그러나 포집된 CO2 가스의 지중저장은 장기계획이며 저장시설 확보가 쉽지 않은 반면, 광물탄산화법에 의한 이산화탄소의 저장법은 단기간에 실용화 할 수 있다는 장점이 있다.2) 또한, CO2 가스를 광물탄산화법에 의해 광물의 결정구조 내에 고정화를 시킬 경우 확실한 고정이 가능하다. 광물탄산화 방법에는 건식 광물탄산화와 습식광물탄산화가 있으며, 습식광물탄산화법을 활용할 경우 알칼리 토금속(Ca, Mg)을 수용액 상에 용출하여 CO2와 반응시키기 때문에 순수한 탄산염(Carbonate) 광물을 얻을 수 있으며, 산업에 재활용이 가능하다. 이를 CCU(Carbon Capture & Utilization) 기술이라 한다. 하지만 이러한 연구는 국내에서는 저조한 수준이며, 지금까지는 탄산염광물의 화학적인 생성에 초점을 맞춘 연구가 지속적으로 수행되어 왔다.3∼5) 해외의 경우 화학적 전처리를 통한 건설산업부산물의 광물탄산화와 pH조절을 통해 탄산화효율을 높인 사례가 있다. 하지만 습식광물탄산화 효율에 대한 연구는 미흡한 수준이며, 대부분 광물에서 Mg이온의 용출에 초점을 둔 연구였으며 Ca이온의 용출에 초점을 둔 연구는 미흡한 수준이었다.7∼9) 현재, CO2 저감을 위해 관심을 받고 있는 무기성 건설 산업폐기물의 대부분은 Ca이온이 풍부하며 산업의 성장과 함께 대량으로 발생되는 폐기물로써 건설폐기물, 철강 산업 슬래그 류, 소각재 등을 들 수 있다. 국내의 경우 매년 산업부산물로 약 5,000만 톤이 생산되고 있으며, 이를 이용하여 광물탄산화법을 활용해 CO2 저감 방안 및 재활용화 대책 마련이 가능하다고 판단된다. 그러나 수용액 상태에서 건설산업부산물에 존재하는 Ca이온의 용출이 되지 않는 어려움이 있다.10) 이를 해결하기 위해 건설산업부산물과 염산수용액을 이용하여 건설산업부산물에 포함되어 있는 알칼리토금속성분인 칼슘을 추출시키고 용액에 추출된 칼슘 성분을 이용하여 이산화탄소를 고정화 시키는 방법을 적용하였다. 본 연구에서는 건설산업부산물을 이용하여 이산화탄소를 고정화 할 때의 Ca이온의 용출효율을 높이고 에너지 소비가 낮은 반응조건을 도출하기 위하여, 탄산염광물(Carbonate)을 형성 할 수 있는 건설산업부산물 속의 알칼리토금속성분인 칼슘을 염산을 이용하여 추출하였다. 염산 추출량 증가를 위하여 반응농도를 변화시켜 추출반응의 양상을 살펴보고 그 반응 효율을 평가하여 보았다. 또한 CO2 고정화효율을 평가하기 위하여 광물탄산화 효율을 평가함으로서 CCU기술에 관한 기초자료를 제공하고자 하였다. 본 연구에서는 건설산업부산물을 화학적 전처리 과정을 통해 생성된 수용액과 이산화탄소의 습식광물탄산화 반응 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) Ca이온의 화학적 전처리에 따른 용출량 변화를 분석한 결과 수용액에서의 Ca이온의 용출량에 비해 화학적 전처리를 통한 Ca이온의 용출량이 높게 나타났다. 이는 염산의 H+이온은 산소원자에 극성을 띠게 함으로써 Ca와 O의 결합을 약하게 해 Ca이온을 화학적으로 빠르게 추출시키기 때문이다. 본 실험 결과 고로슬래그 > 환원슬래그 > 폐콘크리트 > 폐석고 순으로 Ca이온의 용출량을 나타내었으며, 탄산칼슘 생성량 또한 같은 순으로 많이 생성되는 결과를 얻었다. 이 결과로 Ca이온의 용출량은 탄산칼슘 생성량에 직접적인 영향을 주는 것으로 판단된다.

2) 건설산업부산물 수용액과 이산화탄소의 습식광물탄산화 반응에 의해 생성된 반응침전물의 성분분석 결과 NaCl과 같은 불순물이 소량 포함되었으나 대부분 탄산칼슘으로 이루어진 것을 확인 하였다. 그러나 화학적 전처리 과정을 위한 염산수용액의 농도가 1.0보다 초과될 경우 다량의 불순물(Na, Mg, Cl, Si, S)이 포함되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 순도 높은 탄산칼슘을 얻기 위해서는 불순물의 제거에 대한 방안 모색도 추후에 필요하다고 판단된다.

3) 습식광물탄산화 반응에 따른 이산화탄소 고정량 분석결과 가장 많은 Ca2+이온이 검출된 고로슬래그 25g을 4시간 동안 1.5Mol.의 염산수용액에 교반한 수용액 250ml을 습식광물탄산화 반응을 수행한 결과 5.3g의 이산화탄소를 고정화 하였다. 본 실험결과를 근거로 하여 매년 발생되는 국내 주요 건설산업부산물을 이용하여 약 9,349,000ton의 CO2를 고정화 할 수 있을 것으로 예상된다.

4) 이상의 결과를 바탕으로 향후 건설산업부산물을 이용하여 CO2 가스저장기술 개발과 폐자원의 재활용 율을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 고정된 탄산칼슘을 산업에 재이용함으로서 탄산칼슘을 이용한 부가가치의 창출을 통해 CCU(Carbon Capture & Utilization)기술 개발의 기초자료가 될 것으로 사료된다.

본 연구를 통해 건설산업부산물 및 산업에 의해 발생되는 폐 광물 자원에 풍부하게 포함되어 있는 Ca이온을 이용하여 CO2 가스저장기술 개발과 폐자원의 재활용율을 높일 수 있을 것으로 기대한다. 또한, CO2 고정화에 의해 생성된 탄산염(Carbonate)을 산업에 재이용함으로서 부가가치의 창출을 통해 CCU(Carbona Capture & Utilization)기술 개발의 기초자료가 될 것으로 사료된다.