철강 산업에서 발생되는 고체 폐기물에 이산화탄소를 저장하여 시멘트, 콘크리트 등 유해물질을 친환경 건설자재로 활용
바이오매스 폐기물로부터 생성되는 유기산을 활용한 자원 순환형 고효율 탄소 광물화 공정 구현 가능성 제시
지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 지구·환경공학부 박영준 교수 연구팀은 미국 컬럼비아 대학교 박아형 교수 연구팀과 공동연구를 통해 바이오매스 폐기물로부터 생성되는 유기산을 이용하여 고효율 자원 순환형 탄소 광물화 공정을 제시했다.
'탄소 광물화'는 이산화탄소 저장과 활용이 동시에 가능한 기술로, 자연광물 또는 고체 산업폐기물에 포함된 알칼리 금속(칼슘 및 마그네슘)을 추출하여 이산화탄소와 반응을 통해 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘 등의 고체 탄산염을 형성한다.
이렇게 만들어진 고체 탄산염은 온실가스인 이산화탄소를 저장할 뿐 아니라, 시멘트, 콘크리트, 골재 등 다양한 형태의 건설 소재로 활용 가능하다.
일반적인 무기산을 이용한 탄소 광물화의 경우 높은 용매 비용, 낮은 추출 효율과 후처리 공정의 어려움 등으로 인해 이산화탄소 저장 효율 및 공정의 경제성 확보에 부담이 되고 있다.
이번 연구는 기존 고비용 무기산을 대체하여 대량으로 배출되는 바이오매스* 폐기물로부터 생성되는 유기산 혼합물을 탄소 광물화 공정에 적용하여 칼슘 등 알칼리 금속의 추출 성능을 크게 향상시켰으며, 이와 더불어 산업부산물에 포함되어 있는 다양한 형태의 희토류 금속 자원을 선택적으로 회수 할 수 있음을 확인했다.
바이오매스(음식물 쓰레기, 하수 폐기물, 해양 폐기물 등) 등 생화학성 폐기물은 혐기성 소화 공정을 통해 휘발성 유기산 화합물을 형성한다. 형성된 유기산 화합물은 중간 물질로서 알코올 및 탄화수소 합성을 통한 연료나 플라스틱 등의 석유화학 제품 생산에 사용될 수 있다.
지스트 연구팀은 바이오매스 폐기물에서 발생되는 휘발성 유기산을 이용하여 제강 슬래그(제강 제조 공정에서 배출되는 폐기물)로부터 바이오매스 유래 유기산 화합물이 지금까지 널리 사용된 무기산에 비해 알칼리 금속 및 희토류 원소들에 대해 높은 추출 효율을 보이는 것을 확인하였다.
이러한 현상은 추출된 금속 원소들과 결합할 수 있는 양이온(리간드)이 나타내는 유도 효과(Inductive effect) 및 형성 상수(Stability constant of complex) 차이에 기인한 것으로, 알킬기 개수가 많아지면 리간드의 전기 음성도가 증가하여 금속 원소와 강하게 결합하여 안정화 될 수 있다.
이번 논문의 제1저자인 홍수진 연구원은 “이 기술을 활용하면 산업에서 발생한 이산화탄소를 효과적으로 줄이는 동시에 대량으로 배출되는 폐기물을 친환경적인 건설 소재(시멘트, 콘크리트, 골재 등) 로 전환하여 탄소 광물화 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다”며 “후속 연구에서 탄소 광물화 기술 기반으로 유용 자원 개발을 통해 2050 탄소중립 자원 순환 경제에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
지스트 박영준 교수와 컬럼비아 대학교 박아형 교수가 주도하고 지스트 박사과정의 홍수진(제1저자) 연구원이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부 에너지국제공동사업의 지원을 받아 수행되었으며, 화학공학 분야 상위 10% 이내 학술지인 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’ 표지 논문으로 2020년 12월 21일자에 게재됐다.