[이슈] 환경친화적 시멘트 생산이 가능?

“전기화학 공정 개선으로 이산화탄소 배출 획기적 저감”
김명화 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2019-11-15 15:31:31
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▲ 현재 시멘트 생산은 전세계 이산화탄소 배출량의 8퍼센트를 만든다. 사진출처=vliet
장기적으로 CO₂ 배출량 저감
미국 연구원들이 시멘트 생산의 CO₂ 배출량을 장기적으로 크게 줄일 수 있는 방법을 개발했다. 석탄화 소성로 대신에, 생석회는 전기화학 공정에 의해 석회로 전환된 후 열과 모래 첨가 하에서 시멘트로 추가 가공된다. 과학자들이 보고한 바와 같이 방출된 가스는 연료로 직접 사용될 수 있다.


콘크리트와 그 주요 성분 시멘트는 인류의 가장 중요한 건축 자재 중 하나다. 로마인조차도 이 재료의 안정성과 다양성을 높이 평가했다. 그러나 시멘트는 어두운 면을 갖고 있다. 시멘트 생산은 엄청난 양의 이산화탄소를 방출한다. 현재 전 세계적으로 시멘트로 인해 2.8 기가 톤의 이산화탄소가 있으며, 이는 모든 인위적 온실가스 배출량의 약 8%에 해당한다.


그 이유는 생산 과정에 있다. 여기서, 지상 석회암은 먼저 모래와 점토로 가열된다. 이 소성 동안 탄산칼슘(CaCO3)은 산화칼슘(CaO)으로 전환되어 CO2를 방출한다. 이어서 생성된 시멘트 클링커는 약 1,450도의 온도에서 소성된다. 이러한 과정은 일반적으로 석탄 연소 스토브를 사용한다. 이 화석연료를 사용하면 더 많은 CO₂가 방출된다. 매사추세츠 공과대학 (MIT)의 레아 엘리스(Leah Ellis)와 동료들은 "그런 식으로 1kg의 시멘트가 거의 1kg의 이산화탄소를 생산하는 방식"이라고 설명했다.


시멘트 생산의 CO₂ 배출량을 줄이기 위한 시도는 이미 있다. 특히 화산재, 카올린 및 알루미늄 생산 잔류물을 추가하거나 배기가스를 여과하여 함께 혼합한다. 그러나 현재까지 시멘트 공장에서 배출되는 배기가스는 이산화탄소 격리를 경제적으로 처리하기에 너무 불완전하다.

전기화학적 탄산염전환 화학반응전개도. 출처=Ellis st al
전기 분해로 탄산염이 석회질로
따라서 연구원들은 적어도 소성을 보다 환경친화적으로 만드는 방법을 찾고 있다. 이를 위해 그들은 열에 의한 것이 아니라 전기 화학적으로 이 반응을 일으키는 과정을 개발했다. 기본은 전기 분해 셀이다. 이는 두 개의 전극이 물을 수소와 산소로 나누는 반응 용기다.


탄산칼슘이 수소가 생성되는 애노드 근처에 첨가되면, 산성 매질은 고체 수산화칼슘 (Ca(OH)₂)이 형성되는 과정에서 석회를 형성하는 반응을 촉발시킨다. 그런 다음 이 석회는 포틀랜드 시멘트의 주요 성분 중 하나인 모래로 태워서 규산칼슘 알라이트로 전환될 수 있다. 연구원들은 "우리의 결과는 전기 화학적으로 생성된 수산화칼슘이 포틀랜드 시멘트에서 주요 규산칼슘 상의 합성에 적합한 전구체라는 것을 보여준다"고 설명했다.


이 반응의 부산물로서 CO₂도 방출되지만 엘리스와 연구팀이 설명하듯이 기존 배기가스보다 67%의 비율이 더 높다. 이것은 이산화탄소 포집을 보다 효과적으로 만든다. 연구원들에 따르면, 석회는 또한 시멘트 클링커의 종래의 소결보다 약 300도 낮은 열에서 알 라이트로 변환될 수 있다. 배기가스는 질소 산화물 대신 산소를 함유하기 때문에 소결 가마의 연료로 사용될 수도 있다. 프로세스가 재생 가능 에너지로부터 전기를 공급받으면 사실상 방출이 없을 것이다.


추가 실험에서, 연구원들은 반응 용기에서 생석회가 소석회로 얼마나 효율적으로 전환되는지를 결정했다. 아직 최적화되지 않은 실험실 모델에 따르면, 이 방법 전환율을 통해 달성 가능한 최대값의 약 85%에 도달했다고 보고했다.

새로운 전기화학공정을 기반으로한 시멘트공장 자재흐름 및 순환
에너지 측면서 이론적 경쟁력 갖춰
가장 큰 질문은 이 프로세스가 대규모로 사용되는 데 비용이 많이 들고 경쟁력이 있느냐는 것이다. 엘리스와 그녀의 팀은 적어도 에너지 및 연료 비용 측면에서 전기화학 솔루션의 점수를 매길 수 있었다.

 

필요한 공정에 따른 그들의 계산에 의하면, 공정은 시멘트 1kg 당 5.2~7.1 메가주울(Mega Joule)로 현재 미국 시멘트 생산의 약 4.6메가 주울 보다 약간 더 많은 에너지를 필요로 한다. 그러나 이것은 석탄 비용을 없애고 시멘트 톤당 에너지 비용을 약 28달러로 올린다. 전기 화학적 변환을 위해, 전기만 필요해도 이것은 재생 가능한 소스로 매우 저렴한 전기가 될 수 있다. 연구원들은 “다른 요인들을 무시한다면 전기 가격이 킬로와트시 당 2센트 미만이면 기존 시멘트 공장과 경쟁 할 수 있다”고 말했다.


연구원들은 화학 반응기의 설계 및 수명과 관련된 추가비용 요소는 아직 계산할 수 없음을 인정한다. 또한 전기화학 공정을 산업 규모로 확장하는 것이 현실적이라고 생각한다. 그러나 여전히 많은 개발 작업이 필요하다. 예트-민 창(Yet-Ming Chiang) 공동 저자는 “이것은 중요한 첫 단계이고 아직 완전히 개발된 솔루션은 아니다”고 말한다.


TU 베를린의 Dietmar Stephan은 "이 공정은 대규모 산업 공정에 수산화칼슘을 생산하기에 잠재적으로 적합하다"고 말했다. 연구진은 "이러한 접근법을 대규모로 구현하는 데는 수십 년이 걸리므로 CO₂ 배출을 줄일 수 있는 단기 또는 중기 잠재력은 없다"고 말했다. 시멘트 생산에서 CO₂를 줄일 수 있는 가장 큰 잠재력은 콘크리트를 보다 경제적으로 사용하는 것이다. <출처: 매사추세츠 공과 대학 (MIT)>

[문광주 편집위원] 

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