CaO 침지법을 거친 폐오일샌드를 이용한 이산화탄소 광물고정화 반응 공정 모사

Abstract

오일샌드는 비츄멘(Bitumen)이라 하는 중질유와 모래, 점토, 흙 등이 섞여 있는 것을 말하는데, 이 오일샌드에서 비츄멘을 추출하는 공정에서 비츄멘이 추출된 후 남게되는 폐오일샌드와 추출하는 과정에서 사용되는 천연가스로 인해 다량의 이산화탄소가 발생하게 된다. 따라서 여기서 발생하는 폐오일샌드와 이산화탄소의 후처리가 필요해짐에 따라 본 연구의 필요성을 확인하였다. 이에 따라 여러 가지 이산화탄소 저장 방법 중 광물고정화 방법을 이용하여 폐오일샌드에 이산화탄소를 반영구적으로 저장할 수 있는 방법을 찾고 또한 이를 통해 연속식 이산화탄소 고정화 반응 공정 모사에 관해 다루었다. 비츄멘을 추출하고 남은 폐오일샌드에는 XRF분석 결과 이산화탄소 광물고정화에 필요한 Mg, Ca등의 알칼리 토금속 성분이 거의 전무하므로 1 M의 CaO 혼합수액을 이용하여 폐오일샌드를 3 hr동안 침지함으로써 부족한 Ca를 첨가하여 이산화탄소와의 탄산염 반응이 가능하게 하였다. 또한 2M의 황산 수용액을 이용하여 2 hr동안 침지시켜 전처리를 수행해 폐오일샌드의 비표면적을 크게 하여 CaO 혼합수액에서의 CaO 입자가 폐오일샌드 입자와 잘 흡착하게 만들어 이산화탄소와의 고정화 반응이 더욱 수월하게 하였다. 전처리가 끝난 폐오일샌드는 이산화탄소와의 탄산화 반응성이 어떤 조건에서 가장 큰 반응성 조건을 갖는지 알아보기 위하여 온도, 압력, 시간을 변수로 최적 반응 조건 도출 실험을 하였다. 반응성 실험은 전처리된 폐오일샌드와 CO2를 반응시킨 후 반응물인 CaCO3를 열중량 분석(TGA:Thermogravimetry)을 통해 600～800 ℃에서 탈탄산화 시키면서 빠져나간 CO2의 무게를 측정하여 탄산염 반응성을 간접적으로 확인하였다. 실험은 먼저 반응 시간을 변수로 하여 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 hr 의 7가지 시간 조건으로 반응성 실험을 한 결과 5 hr에서 28.31 %의 질량감손률을 보여 가장 큰 탄산화 반응성이 확인되었고, 반응 온도를 변수로 하여 300, 400, 500, 600, 700 ℃ 등의 5가지 온도 조건으로 실험을 한 결과 500 ℃에서 28.74 %의 질량감손률을 보여 가장 큰 탄산화 반응성이 확인되었다. 또한 반응 압력을 1, 5, 10, 25, 40 atm으로 하여 각각 실험해본 결과 25 atm에서 12.42 %의 질량감손률을 보여 가장 큰 탄산화 반응성을 지닌다는 것을 확인하였다. 폐오일샌드와 이산화탄소와의 고정화 반응 공정을 Aspen plus를 통하여 모사해보고 앞선 실험 결과들을 대입해 본 결과 탄산염 전환율이 97.1 %로, 실험시 도출되었던 45～77 %보다 월등히 높은 결과가 나타나 실험에서 도출된 최적 조건 입력시 거의 이론상 최대 전환율과 가까운 반응성을 보인다는 것을 알 수 있었다.