전자레인지를 이용한 탄소저장 소결체 제조

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5122(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 다량의 미연탄소와 CaCO3를 함유한 비산재 샘플의 마이크로웨이브 소결을 조사했습니다. 이를 위해 플라이애시 소결체에 CaCO3를 혼합하여 CO2를 고정시켰다. 마이크로파 조사를 사용하여 원료를 1000°C로 가열했을 때 CaCO3의 분해가 관찰되었습니다. 그러나 물을 첨가하여 원료를 1000 ℃로 가열하면 아라고나이트를 함유한 소결체가 얻어졌다. 또한, 마이크로파 조사를 제어하여 비산재의 탄화물을 선택적으로 가열할 수 있습니다. 마이크로파 자기장은 소결체 내 2.7μm 이하의 좁은 영역에 100℃의 온도 구배를 만들어 소결 시 혼합물 내 CaCO3 분해를 억제하는데 도움을 주었다. 살포 전 물을 기상으로 저장함으로써 기존의 가열로는 소결이 어려운 CaCO3를 분해하지 않고 소결할 수 있습니다.

지속가능한 사회 구현을 위해 탈탄소화가 큰 관심을 끌고 있습니다. 2021년 11월, 제26차 유엔기후변화협약 당사국총회가 영국에서 개최되어 기후변화 분야에 대한 일본의 야심찬 노력이 전파되었습니다1. 2050년까지 탄소 중립 사회로의 신속한 전환은 일본뿐만 아니라 전 세계적으로 요구됩니다. 이와 함께 석탄화력발전소에서 배출되는 비산재, 콘크리트 슬래그 등 산업폐기물의 효과적인 활용에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 콘크리트와 슬래그에서 CO2를 포집하고 고정하려는 시도는 성공적이었습니다2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. 시멘트 생산은 시멘트 1kg당 약 0.8kg의 CO2를 생성하며, 이는 전 세계 CO2 배출량의 약 5~8%에 해당합니다2. 콘크리트에 CO2를 고정하는 방법에 대한 여러 연구는 콘크리트 슬러리 폐기물(CSW)의 탄산화에 중점을 두었습니다. 통제된 환경에서 CSW를 열역학적으로 탄화시키는 연구는 기초연구2,3,4, 응용연구4,5, 이론6, 스케일업7 등에서 보고되고 있으며, 영구적으로 분리할 수 있는 탄소 포집 및 저장 기술로 주목받고 있다. CO2. 또한, 슬래그의 탄산화는 철강분야의 CO2 저장기술로 주목받고 있다. 슬래그는 철 생산의 부산물입니다. 2021년 전 세계 철 슬래그 생산량은 3억 4천만~4억 1천만 톤으로 추산되며8, 이를 알칼리 화합물을 사용하여 화학적으로 전환시켜 CaCO3를 침전시키는 연구가 상당한 주목을 받고 있습니다9,10,11. 이러한 연구는 고순도 CaCO3를 분말 형태로 얻을 수 있다는 특징이 있습니다. 그러나, 이렇게 얻은 분말 형태의 CaCO3를 구조재로 만들어 CO2를 영구적으로 고정시키는 기술이 필요하다.

CaCO3 분말을 분해하지 않고 재료를 소결하는 기술로 마이크로파 가열에 중점을 두고 있습니다. 많은 연구자들이 세라믹 소결 분야에서 마이크로파 가열을 연구해 왔습니다. 왜냐하면 물체를 빠르게 가열할 수 있기 때문입니다12,13,14,15. 또한 지난 몇 년간의 연구에 따르면 마이크로파는 혼합물의 4.7~60 nm 범위의 좁은 영역에서 수백 도의 온도 구배를 생성한다는 것이 확인되었습니다. 따라서 이 두 가지 특성을 잘 활용하여 CaCO3 분말 이외의 물질을 선택적으로 가열할 수 있으며, CaCO3가 분해되기 전에 혼합물을 소결할 수 있습니다.

마이크로파 가열의 특성을 활용하여 CaCO3를 함유한 플라이애시 소결체를 만드는 것을 목표로 합니다. 비산회는 화력 발전소의 부산물이며, 연간 약 5억 톤을 생산합니다19,20,21,22. 비산회에는 약 10~20%의 미연탄소가 포함되어 있기 때문에 비산재를 처리하는 데 비용이 많이 듭니다20,23. 비산회에 탄소를 포집하여 소결체를 형성할 수 있다면 CO2 저감 효과를 얻을 수 있다. 따라서 플라이애시의 탄소 함량을 크게 연소시키지 않고 CaCO3를 분해하지 않는 가열 방식을 개발한다면 이중 탄소 저장 효과를 구현할 수 있다.