초임계 조건에서 광물질 및 폐기물을 이용한 이산화탄소 고정화 반응 특성 연구

Abstract

본 연구는 여러 공정을 통해 분리된 이산화탄소를 영구히 저장하는 탄산염 광물화 반응의 최적점을 도출하는데 그 목적이 있다. 이 기술의 장점은 이산화탄소와 광물의 탄산염 광물화 반응 후 안정된 상태로 전환되어 친환경적으로 영구히 이산화탄소를 저장할 수 있다는 점이다. 탄산염 광물화 반응은 자연 상에서 느리게 일어나는 풍화작용을 모방한 기술로써, 실제 산업 공정에서 이용되어지기 위해서 실제 time scale의 범위 하에서 탄산염광물화 반응이 이뤄져야한다. 이를 위해 본 연구에서는 탄산염 반응 속도를 높이는 목적으로 반응 온도와 압력 그리고 반응 첨가물을 사용하였으며, 이에 따른 반응성을 실험 후 비교하여 보았다. 실험 원료로 선택된 광물질은 사문석, 규회석, Coal ash, 그리고 Slag로 모두 탄산염 광물화 반응을 일으키는 Mg 성분과 Ca 성분을 함유하고 있다. 특히 사문석의 경우 열 전처리를 통하여 반응성을 증대를 기대하였으며, 분석 결과 600℃, 1시간의 열처리가 적합한 것으로 판단되었다. 또한 이러한 열처리로 인해 사문석 원석의 구성 성분과 광물 구조 또한 변화가 없는 것으로 분석되었으며, 초임계 상태에서의 탄산염 광물화 반응성 또한 증대 된 것으로 나타났다. 열 전처리를 후의 사문석과 규회석의 경우 Mg 같은 알카리 토금속류의 함유량이 40~50 wt% 이며, 이러한 비교적 높은 함유량을 지닌 광물들은 탄산염 광물화 반응을 통해 많은 40~55%의 이산화탄소 고정화 수율을 나타냈다. 반면, Coal ash와 Slag의 경우 알카리 토금속류의 함유량이 4~9 wt% 인 것으로 나타났으며, 이산화탄소 고정화 수율은 10~15%로 나타났다. 초임계 상태에서의 이산화탄소 고정화 반응의 온도와 압력의 영향은 이론적으로 볼 때, 실험 온도 범위 100, 200℃ 그리고 실험 압력 범위 100, 200atm 중 200℃, 100atm의 조건하에서 가장 좋은 반응성을 나타내었다. 반면 실험 결과 200℃, 200atm 의 조건하에서 가장 높은 이산화탄소 고정화 수율을 나타내었다. 또한 탄산염 광물화 반응을 촉진 시키는 촉진제로 사용된 NaHCO3와 NaCl 수용액은 첨가하지 않았을 때와 비교하여 약 35%의 이산화탄소 고정화 수율의 증가를 나타내었다.