이산화탄소의 고부가 광물탄산염 전환공정 제어인자 규명

  - 이산화탄소 저장 및 활용이 가능한 고부가 광물탄산염 전환 메커니즘 규명

  - 박영준 교수팀, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 에 논문 게재

(왼쪽부터) 최다솔 연구원, 장리부가 연구원, 박영준 교수

□ GIST(광주과학기술원) 지구·환경공학부 박영준 교수팀은 온실가스인 이산화탄소를 영구적으로 저장하면서 고부가가치의 광물탄산염*으로 전환하기 위한 공정에서 결정구조를 제어하는 인자를 규명했다.

* 광물탄산염: 칼슘‧마그네슘 등 알칼리 토금속과 이산화탄소의 탄산화 반응을 통해 형성되는 화합물. 이산화탄소보다 열역학적으로 안정적이고 영구적으로 이산화탄소를 저장할 수 있을 뿐 아니라 형성된 탄산염은 제지, 고분자 및 정밀화학제품의 보강재, 건축 및 토목용 매립재 등으로 활용 가능하다.

□ 연구팀은 탄산칼슘(CaCO3) 전환 공정에서 형성될 수 있는 세 가지 형태의 결정구조를 파악하고, 이들 결정구조의 형성을 결정짓는 핵심 요소와 이들의 상관관계를 제시했다.

  ∘ 탄산칼슘은 육방정계인 방해석(Calcite)과 바테라이트(Vaterite), 사방정계인 아라고나이트(Aragonite)의 동질이상체(Polymorph)를 형성하며, 이들 결정구조에 따른 순도 및 입자 크기 등에 따라 매우 다양한 쓰임새를 가진다.

  ∘ 이산화탄소는 흡수·흡착 등의 포집(Carbon Capture)과정을 거친 후, 천연광물 또는 산업부산물(슬래그 등)로부터 추출된 칼슘 또는 마그네슘과 반응해 광물탄산염으로 전환될 수 있다. 이때 주요 공정 변수인 반응 온도, 압력, pH, 농도, 불순물 유무 등에 따라 탄산염의 결정 구조 및 순도가 결정된다.

[그림 1] 이산화탄소 광물탄산염 공정 흐름도: 산업부산물(슬래그 등), 천연광물로부터 추출된 칼슘 또는 마그네슘은 온실가스인 이산화탄소와 반응하여 열역학적으로 보다 안정한 광물탄산염으로 전환되며, 형성된 광물탄산염은 제지, 고분자 보강재, 건축 및 토목 매립용 자재로 활용 가능하다.

  ∘ 연구팀은 이들 공정 변수가 탄산칼슘이 가지는 세 가지 결정구조의 형성에 각기 다른 세기로 영향을 주고 있음을 확인했다. 사방정계인 아라고나이트는 반응 온도가 가장 중요한 공정 제어 변수가 되는 반면, 육방정계인 방해석과 바테라이트는 이온의 형태와 농도가 가장 중요한 제어 요소로 작용함을 확인했다.

∘ 장리부가 연구원은 “특정 탄산칼슘 동질이상체의 경우, 이산화탄소와 질소의 혼합 배가스를 이용해 형성할 수 있어, 별도의 이산화탄소 포집공정 없이 저장이 가능할 것이다”고 말했다. 

□ 박영준 교수는 “CCS* 기술 적용의 난제인 고비용 문제를 고부가 광물탄산염 전환을 통해 상당 부분 해결할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

* CCS(Carbon Capture & Storage): 이산화탄소 포집 및 저장. 이산화탄소를 대량 배출원인 발전소, 산업공정 등으로부터 포집하고, 이를 대기 배출로부터 영구적으로 격리하는 기술

□ 박 교수가 주도하고 장리부가(석사과정‧제1저자), GIST대학 4학년 최다솔‧김민희 학생(공동 저자)이 수행한 이번 연구는 GIST GUP사업의 지원을 받아 수행되었으며, 미국화학회에서 발간하는 화학공학 분야 저명 학술지인 ‘지속가능한 화학 및 공학’(ACS Sustainable Chemistry & Engineering) 12월 16일자에 게재됐다.     <끝>

대외협력팀