산업부산물을 이용한 가속광물탄산화 효율평가 및 국내 이산화탄소감축량 산정

이상민; 연성민; 정석희

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자료유형: 학술저널

저자정보: 이상민 (공주대학교) 연성민 (영진환경테크) 정석희 (전남대학교)

저널정보: 대한환경공학회 대한환경공학회지 대한환경공학회지 제44권 제1호

발행연도: 2022.1

수록면: 21 - 30 (10page)

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목적: 시멘트산업공정 부산물인 CKD를 사용한 가속광물탄산화 공정에서 CO₂ 제거량과 침강성탄산칼슘(Pricipitated calcium carbonate, PCC) 생성량을 향상하기 위해, 알카리제 주입 유속에 따른 CO₂의 제거량과 침강성탄산칼슘(PCC) 발생량을 비교하였다. 그리고 광물탄산화에 쓰일 수 있는 산업부산물인 CKD, 슬래그, 폐콘크리트미분말(Waste cement powder, WC), CFA의 CO₂ 제거능과 PCC 생성성능을 비교하였고 이들의 국내 발생량 기준으로 연간 CO₂ 제거 가능량을 평가하였다.
방법: CKD의 광물탄산화 적용성을 평가하기 위해 CKD 미세분말의 미세구조와 성분을 FE-SEM, EDS 및 XRD를 통해 분석하였다. PCC의 성분과 순도분석을 위해 XRD와 DTA 분석을 수행하였다. 이산화탄소의 제거성능을 평가하기 위해 유입가스(5% CO₂)와 CKD 용출액을 이용하여 탄산화 반응을 수행하였다. CO₂ 제거성능을 향상시키기 위해 1N NaOH를 1.1, 2.0, 3.0 mL/min으로 주입 시 CO₂ 제거율과 PCC 생성량을 평가하였다. 본 연구결과와 선행연구자료를 이용하여 CKD, 슬래그, 폐콘크리트, 및 CFA의 연간 CO₂ 제거 가능량을 산정하였다.
결과 및 토의: CKD 용출액과 알카리 첨가제를 함께 사용한 경우 1N NaOH의 주입속도를 1.1, 2.0, 3.0 mL/min으로 주입 시, CO₂ 제거율은 각각 61.7, 77.2, 41.5%이었으며, PCC 발생량은 48.2, 52.2, 54.3 g이었다. 광물탄산화를 위한 산업부산물의 국내 발생량은 Slag, CFA, CKD, WC의 순으로 각각 26,664,893톤/년, 8,000,000톤/년, 2,531,750톤/년 그리고 884,854톤/년이고 CO₂의 연간 제거 가능량을 산출하면 CO₂의 연간 제거 가능량은 CKD ＞ Slag ＞ CFA ＞ WC 순으로 산출된다.
결론: CKD는 미분형태로 비표면적이 높고 칼슘함량과 알카리도가 높으며 광물탄산화에서 폐콘크리트나 슬래그보다 CO₂ 제거와 PCC 생성율이 우수하다. 산업부산물을 탄소포집 및 활용저장(Carbon capture, utilization and storage, CCUS) 공정에 적용 시 연간 CO₂ 제거량을 고려할 때 국내 기준으로 CKD와 슬래그가 가장 경제적인 광물탄산화 재료로 판단된다.

Objectives : Cement Kiln Dust (CKD), a cement industrial by-product, was used in this study to improve the effectiveness of CO₂ removal and increase the production of precipitate calcium carbonate (PCC) in the accelerated mineral carbonation process, differentiating injection flow rate of alkaline agent into the process. Further, CKD, slag, waste cement powder (WC), coal fly ash (CFA) which are mainly used for mineral carbonation, were also compared for their total CO₂ removal capability by the year.
Methods : The morphology and composition of CKD were analyzed using FE-SEM, EDS and XRD to evaluate its applicability to mineral carbonation, and CKD extract and 1N NaOH were added into the reactor with the flow rate range of 1.1 to 3.0 mL/min for longer reaction time. And DTA was carried out for purity analysis of PCC. Last, for annual CO₂ removal potential evaluation, CKD, slag, WC and CFA was compared based on the result from this and previous researches.
Results : Result showed that 1N NaOH injection at flow rate of 1.1, 2.0, 3.0 mL/min accelerated the CO₂ removal by the 61.7, 77.2, 41.5% and 48.2, 52.2, 54.3 g of PCC was generated respectively. The annual amount of industrial by-product in Korea is 26,664,893 tons/year, 8,000,000 tons/year, 2,531,750 ~ 7,595,250 tons/year and 884,854 tons/year, respectively, in order of Slag, CFA, CKD, waste concrete fine powder (WC). Thus, the annual removal of CO₂ could be estimated in order of CKD ＞ Slag ＞ CFA ＞ WC.
Conclusion : CKD is a fine powder form with a high specific surface area, high calcium content, and high alkalinity. Therefore, CKD is superior to waste concrete or slag in mineral carbonation in removing CO₂ and generating PCC. Considering the annual amount of CO₂ removal when applying industrial by-products to the CCUS process, CKD and slag are considered the most economical mineral carbonation materials.

#Mineral carbonation #Cement kiln dust #alkali addition #Carbon capture utilization and storage #Precipitated calcium carbonate #광물탄산화 #시멘트킬른더스트 #알카리주입 #이산화탄소 포집 및 저장기술 #침강성 탄산칼슘

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M. R. Allen, O. P. Dube, W. Solecki, F. Aragón-Durand, W. C ramer, S . Hump hreys, M. K ainuma, J. K ala, N . Mahowald, Y. Mulugetta, R. Perez, M. Wairiu, K. Zickfeld, IPCC SPECIAL REPORT: Global Warming of 1.5℃, https://www.ipcc.ch/sr15/chapter/chapter-1/(2018). S. Park, K. Song, H. Jo, Laboratory-scale experiment on a novel mineralization-based method of CO2 capture using alkaline solution, Energy, 124, 589-598(2017).

H-M. Oh, C-Y. Ahn, CO2 fixation and biodiesel production using microalgae, KIC News, 12, 1-9(2009).

A-H. A. Park, R. Jadhav, L-S. Fan, CO2 Mineral Sequestration: Chemically Enhanced Aqueous Carbonation of Serpentine, Can J. Chem. Eng., 81, 885-890(2003).

W. Seifritz, CO2 disposal by means of silicates, Nature, 345, 486-486(1990).

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