탄소 포집 기술:
지구 온난화를 제한하기 위한 초미세 오염 물질 감소

샨 다니엘

지구 온난화는 지구 인류에게 심각한 위험을 초래합니다. 지구 온난화는 온실 효과, 즉 지구 대기의 기체가 지표면에서 방출되는 장파 복사를 대기 내에 가두는 현상으로 인해 발생합니다. 이러한 온실 효과에 기여하는 주요 기체는 이산화탄소로, 에너지원으로 사용되는 탄화수소 연료의 연소 과정에서 배출됩니다. 통제되지 않은 배출과 온난화는 극심한 기상 이변, 농업 손실, 그리고 극지방 빙하가 녹아 해안 지역의 홍수를 초래할 수 있습니다. 따라서 기후 변화의 부정적 결과를 완화하는 에너지원으로 전 세계 에너지 의존도를 전환하는 것은 매우 중요하며 시급한 과제입니다. 이는 화석 연료 및 기타 탄소 배출 물질에 대한 전 세계적 의존도를 줄이고, 태양광, 풍력, 수력, 조력, 원자력과 같이 이산화탄소를 배출하지 않는 재생 에너지로 전환함으로써 달성할 수 있습니다(2).

그러나 산업혁명이 시작된 이래 대기 중 CO2 농도는 280ppm에서 430ppm으로 증가했는데, 이는 1.18×10^12에 해당합니다.  대기 중 이산화탄소 농도가 톤 단위로 증가하고 있습니다. 이러한 변화의 규모를 고려할 때, 대기에서 배출되는 탄소를 제거하고 지구 온난화에 미치는 영향을 제거하는 방식으로 저장하는 것이 최근 기후 과학자들의 주요 관심사가 되었습니다.

현재의 탄소 격리 공정은 주변 환경에서 공기를 포집하여 저장을 위해 농축하는 방식을 사용합니다(2). 이는 네 가지 반응으로 달성할 수 있습니다. 반응 1은 수산화칼륨 용액에 공기를 통과시키는 과정으로, 이산화탄소가 물과 반응하여 탄산이 되고, 탄산은 산염기 중화를 거쳐 탄산칼륨과 물을 생성합니다. 반응 2는 탄산칼륨과 수산화칼슘을 반응시켜 수산화칼륨을 재생성하는데, 탄산칼슘은 물에 녹지 않습니다. 반응 2에서는 고체 탄산칼슘을 초고온에서 열분해하여 산화칼슘과 이산화탄소를 생성하고, 이 이산화탄소는 저장이 가능한 제어된 환경에서 반응 후 배출됩니다. 마지막으로, 반응 3는 물에 용해된 산화칼슘이 수산화칼슘을 재생하는 과정입니다. 반응 4, 1, 2는 발열 반응이고 유리하지만, 탄산칼슘의 열분해는 매우 높은 흡열 반응이며 막대한 에너지 투입이 필요하기 때문에 산업용 탄소 격리는 비용이 많이 들고 지속하기가 어렵습니다(4). 대기 중 이산화탄소 3톤을 제거하는 데 드는 비용은 2~600달러로 추산됩니다. 현재의 탄소 격리 기술만을 사용할 경우, 산업화 이전 수준으로 대기 중 이산화탄소 농도를 되돌릴 만큼 충분한 이산화탄소를 제거하는 데 드는 비용은 1000조 달러로, 2년 기준 미국 GDP의 약 2배에 달할 것으로 예상됩니다(708).

이 방법론은 현재 대기 중 이산화탄소 농도에 유의미한 영향을 미치는 실행 가능한 방법이 아닙니다. 탄소 격리 공정의 2차 반응과 생성된 이산화탄소의 저장/판매 과정 모두에 대한 혁신과 개선을 통해 이 공정의 전반적인 비용을 절감하고, 더 큰 규모로 구현하여 전반적으로 더 큰 긍정적 영향을 미칠 수 있습니다(2). 건강에 해롭고 기후 변화를 유발하는 초오염 물질인 메탄 포집은 즉각적인 건강 및 기후적 이점을 제공하는 단기 잔류 기후 오염 물질을 포집함으로써 탄소 격리 전략을 보완할 수 있습니다. 그러나 더욱 비용 효율적인 공정을 개발하고 다른 재생 에너지와 결합하기 위한 추가적인 혁신을 통해 탄소 격리는 기후 변화의 부정적 영향을 완화하는 중요한 도구가 될 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 점점 더 주목받고 있는 생물학적 기반 농업 방식 중 하나가 재생 농업(RA)입니다. 재생 농업은 토양 복원과 장기적인 생태적 균형에 초점을 맞춤으로써 농업에 더욱 통합적이고 지속 가능한 접근법을 제공합니다(5). 화학 비료와 살충제에 크게 의존하는 기존 농업과 달리, 재생 농업은 전통적인 자연 기반 관행을 강조합니다(6). 재생 농업이 토양 건강 증진을 위해 주로 활용하는 다섯 가지 핵심 원칙은 토양 교란 최소화, 작물 다양성 극대화, 지속적인 토양 피복 유지, 연중 토양에 살아있는 뿌리 유지, 그리고 소와 같은 가축을 농업 시스템에 통합하는 것입니다.

지속가능한 농업과 대기 탄소 저장을 위한 가장 효과적인 접근법 중 하나임에도 불구하고, RA는 광범위한 구현을 위해 여러 가지 장벽에 직면해 있습니다(7). 이 접근법은 시간이 많이 소요되며 신중하고 일관된 관리가 필요합니다. 농부들은 토지를 효과적으로 관리하기 위해 새로운 기술을 도입하고 토양 생물학, 식물 상호작용, 그리고 생태계 기반 관행에 대한 더 깊은 이해를 발전시켜야 합니다. 이러한 변화에는 기술 교육과 장기적인 노력이 모두 필요한데, 이는 모든 농업 공동체에 실현 가능한 것은 아닙니다.

그러나 RA가 드론, 센서, 농업 로봇과 같은 현대 기술의 지속적인 구현 및 통합을 통해 뒷받침된다면, 탄소 저장을 위한 가장 신뢰할 수 있는 장기 전략 중 하나가 될 잠재력을 가지고 있습니다(8). 이러한 기술은 토지 관리 관행의 정확성과 효율성을 향상시켜 토양 건강 모니터링, 윤작 최적화, 노동 집약적 작업 감소를 용이하게 할 수 있습니다. 예를 들어, 한 연구에 따르면 토양은 농업 관행을 통해 연간 최대 3.4기가톤의 탄소를 격리할 수 있는 것으로 나타났습니다(9). 그러나 이러한 규모의 격리를 달성하려면 매년 약 5.72 × 10¹¹ 그루의 나무를 심어야 합니다.

RA 과정은 토양의 장기 탄소 저장에 기여하는 여러 상호 연결된 생물학적 및 화학적 단계를 포함합니다. 이 과정은 나무, 작물, 식물의 경작 증가로 시작되는데, 이러한 나무, 작물, 식물은 광합성 과정을 통해 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 포집하는 데 중요한 역할을 합니다. 광합성 과정에서 식물은 CO₂와 물을 포도당(C₆H₁₂O₆)과 산소(O₂)로 전환하며, 그 반응은 다음과 같습니다. 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

생성된 포도당은 식물 생장에 사용될 뿐만 아니라 뿌리를 통해 토양으로 배출되어 미생물 군집을 지원합니다. 이러한 뿌리 분비물은 근권에서 미생물의 호흡과 활동을 자극하여 영양분 순환을 향상시킵니다. 유기 탄소 중 일부는 미생물 및 식물 잔류물이 복잡한 부식질 물질로 변환되는 부식화(humification) 과정을 통해 안정화됩니다. 이러한 물질은 수십 년 동안 토양에 남아 있을 수 있는 안정적인 토양 유기물을 형성하여 토양에 탄소를 효과적으로 저장합니다.

RA는 매우 지속 가능한 접근법이지만, 이 방법을 통해 의미 있는 진전을 이루려면 인위적인 탄소 배출량을 동시에 줄여야 합니다. 한 연구에 따르면 인간 활동으로 인해 배출되는 연간 이산화탄소량은 재생 농업을 통해 격리할 수 있는 양(세계 연간 예산)을 초과합니다. 예를 들어, 2023년에는 36.8기가톤의 이산화탄소가 배출되었는데, 이는 RA를 통해 격리되는 연간 2기가톤의 탄소량과 비교됩니다.

콘크리트는 어디에나 있는 건축 자재입니다. 도로, 보도, 건물, 교량, 터널 등 어디에나 있습니다. 실제로 콘크리트는 물에 이어 세계에서 두 번째로 많이 사용되는 물질이며, "다른 모든 건축 자재를 합친 것보다 두 배나 많은 콘크리트가 건설에 사용됩니다"(12). 현재 전 세계는 매년 30억 톤의 콘크리트를 생산하고 있으며, 특히 남반구 여러 국가에서 산업화가 가속화됨에 따라 콘크리트에 대한 세계적인 수요는 계속 증가하고 있습니다(13). 하지만 안타깝게도 콘크리트에는 에너지 비용이 수반됩니다.

콘크리트의 핵심 구성 요소인 시멘트는 다음과 같은 공정을 통해 생성됩니다. 하소 - 석회암과 점토의 혼합물을 매우 높은 온도로 가열하면 이산화탄소(CO2)를 생성하는 화학 반응이 발생합니다. ₂ )과 석회(CaO)를 섞습니다. 석회는 점토와 더 많이 섞인 후 다시 가열하여 시멘트를 형성합니다. 마지막으로, 이 시멘트는 물과 반응하여 다양한 수화 생성물을 생성하는데, 이 수화 생성물이 골재(주로 모래, 자갈, 쇄석)를 단단하게 결합시켜 우리가 콘크리트라고 부르는 것을 형성합니다.

그러나 시멘트와 CO를 가열하는 데 필요한 상당한 에너지 입력이 있을 때 ₂  소성 중 부산물로 배출되는 이산화탄소를 모두 고려하면 콘크리트가 상당한 탄소 발자국을 남긴다는 것이 분명해집니다. 실제로 시멘트 0.85톤은 XNUMX톤의 이산화탄소를 배출합니다. ₂ 콘크리트 산업은 전 세계 탄소 배출량의 4~8%를 차지합니다(14). 현재 콘크리트만큼 다재다능하고, 비용이 저렴하며, 생산이 용이한 건축 자재는 없습니다. 하지만 콘크리트의 탄소 발자국을 줄이는 동시에 업계 비용도 절감할 수 있는 방법이 있을까요?

혼합 과정에서 이산화탄소를 배출한다는 사실에도 불구하고 콘크리트는 수동 화학 반응을 통해 탄소를 흡수합니다. 풍화 탄산화. 이 과정에서 수산화칼슘(Ca(OH) ₂ , 포틀란다이트라고도 함)는 콘크리트 내 수화 반응의 부산물로 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 형성합니다. ₃ , 방해석으로도 알려져 있습니다. 이것은 공기 중의 탄소(CO)를 격리하는 한 형태입니다. ₂ )은 콘크리트의 분자 구조 내에 미네랄 형태로 "격리"되어 있습니다.

그러나 기후 변화 완화 및 콘크리트 산업의 탄소 발자국 감소를 위한 잠재적 전략으로서 이 과정에는 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 매우 느리게 진행된다는 것입니다. 콘크리트 0.9톤은 최대 XNUMXkg의 이산화탄소를 흡수합니다. ₂  풍화 탄산화를 통해 연간 탄소 배출량을 측정할 수 있지만, 그 값은 습도와 온도와 같은 환경 조건에 크게 좌우됩니다(13). 즉, 풍화 탄산화 과정에서 발생하는 탄소 흡수량은 산업계에서 배출하는 탄소량보다 훨씬 적습니다. 두 번째 단점은 CO에 장기간 노출될 경우 ₂ 콘크리트를 결합하는 데 도움이 되는 탄소 규산염 수화물 겔(CSH)이 분해되면서 콘크리트가 열화되기 시작합니다. 그러나 풍화 탄산화 과정에서 발생하는 기본적인 화학 반응을 바탕으로 콘크리트 내 탄소 격리 기술을 설계할 수 있습니다. 이 기술은 느리고 수동적인 방식이 아닌, 빠르고 능동적인 방식으로 진행됩니다.

결과적으로, 현재 업계는 두 방법. 첫 번째는 호출됩니다 미네랄 탄산화이며, 본질적으로 "암석 풍화 작용의 빠른 모방"(13)입니다. 광물성 탄산화는 결합제 화합물을 표적으로 합니다. 일반적으로 시멘트는 물과 혼합되어 콘크리트 골재를 결합하는 수화 생성물을 형성합니다. 그러나 CO ₂  물에 녹아 탄산(H)을 형성합니다. ₂ CO ₃ ), 산에서 나오는 히드로늄 이온은 시멘트의 규산염 산화물을 분해하여 시멘트의 칼슘과 마그네슘 이온을 방출시켜 안정적인 탄산염을 형성합니다. 한 연구에 따르면, 상업용 광물 탄산화는 연간 최대 3기가톤의 탄소를 격리할 수 있습니다.

두 번째 방법은 콘크리트 자체를 대상으로 합니다. 콘크리트는 빠른 수화 반응을 위해 혼합 후 양생되는 경우가 많으며, 이는 콘크리트의 장기적인 내구성과 강도에 유익한 영향을 미칩니다. 콘크리트 양생에는 일반적으로 증기가 사용되며, 고온 및 상대 습도를 허용하기 때문입니다(15). 그러나 CO₂ ₂  같은 효과를 위해 사용할 수도 있습니다. 이 프로세스에서는 CO ₂  가스가 조기 콘크리트(즉, 혼합 후 최대 며칠 후)에 주입되는 것을 다음과 같이 알려져 있습니다. 탄산 경화. 미네랄 탄산화와 유사하게 탄산 경화는 규산염 산화물과 물 및 CO의 반응을 포함합니다. ₂  CaCO를 형성하다 ₃ .

물론, 순수한 CO를 얻는다 ₂  가스, 그리고 경화에 필요한 폐쇄형 반응실의 설계 및 유지 관리는 제조업체에 추가 비용을 의미합니다. 그러나 업계에서 "친환경 콘크리트"로 알려진 것을 만들기 위해 기존의 바인더 및 골재 재료를 재활용 대체 재료로 대체함으로써 이러한 비용을 절감할 수 있습니다. 예를 들어, 콘크리트의 시멘트 구성 요소로 일반적으로 선택되는 포틀랜드 시멘트는 수화 반응에 필요한 산화물을 포함하고 있기 때문에 석탄 산업의 부산물인 플라이애시나 철강 슬래그로 일부 또는 완전히 대체할 수 있습니다. 한 연구에 따르면 포틀랜드 시멘트를 플라이애시와 석회 혼합물로 대체하면 콘크리트 혼합물의 탄산화도가 78%인 반면, 포틀랜드 시멘트 제어 혼합물의 탄산화도는 32%였습니다(13).

또한, 굵은 골재의 전형적인 선택인 자갈과 쇄석은 철거 부산물(쇄석, 콘크리트 등)로 대체할 수 있습니다. 이러한 골재에 광물탄산화를 수행하여 강도와 내구성을 높이고 탄소 격리 능력을 향상시킬 수도 있습니다. 마지막으로, 잔골재(일반적으로 모래)는 바이오차로 대체할 수 있는데, 바이오차는 그 자체로 탄소 격리 산물이라는 추가적인 이점을 제공합니다(바이오차는 저산소 환경에서 매우 높은 온도로 유기물을 연소시켜 안정적인 탄소 구조를 형성합니다). 일부 연구에 따르면 바이오차는 초기 탄산 양생 과정에서 수화 반응을 촉진하여 압축 강도를 높일 수 있습니다(16). 또한 바이오차는 다공성이 높아 탄산화 반응이 발생할 수 있는 부위가 더 많습니다.

CCS나 재생 농업과 달리, 친환경 콘크리트는 기존 산업의 대대적인 변화나 새로운 산업의 창출을 필요로 하지 않습니다. 단지 재활용 부산물을 콘크리트 혼화제에 첨가하고 증기 대신 탄산 경화 기술을 사용하기만 하면 됩니다. 시멘트 제조업체들은 현재 더욱 기후 적응적인 미래, 즉 격리된 이산화탄소로 도시를 건설하는 미래에 투자할 수 있는 수단을 보유하고 있습니다. ₂ .