[그린포스트코리아 김동수 기자] 미국 연구원들이 시멘트 생산에서 이산화탄소(CO₂) 배출량을 크게 줄이는 방법을 개발했다. 석탄화 소성로 대신 생석회는 전기화학 공정에 의해 석회로 전환된 후 열과 모래를 첨가해 시멘트로 추가 가공된다. 이때 방출된 가스는 연료로 직접 사용될 수 있다.

콘크리트와 그 주요 성분 시멘트는 현대에 있어 가장 중요한 건축 자재이다. 대부분의 건축물에는 시멘트가 이용된다. 그러나 시멘트는 이점만 있는 게 아니다. 시멘트 생산은 다량의 CO2를 방출한다. 전 세계적으로 시멘트로 인해 2.8기가톤의 CO2가 발생하며 이는 인위적 온실가스 배출량의 약 8%를 차지한다.

그 이유는 시멘트 생산 과정에 있다. 석회암은 먼저 모래와 점토로 가열되는데 이 소성 동안 탄산칼슘(CaCO3)은 산화칼슘(CaO)으로 전환돼 CO2를 방출한다. 생성된 시멘트 클링커는 약 1450도의 온도에서 소성된다. 이러한 과정에서 보통 석탄 연소 스토브를 사용한다. 화석연료를 사용하므로 더 많은 CO₂가 방출된다. 매사추세츠 공과대학 (MIT)의 레아 엘리스(Leah Ellis)와 동료들은 "1kg의 시멘트가 거의 1kg의 이산화탄소를 생산하는 방식"이라고 설명했다.

시멘트 생산의 CO₂ 배출량을 줄이기 위한 시도는 이미 여러 차례 있었다. 화산재, 카올린 및 알루미늄 생산 잔류물을 추가하거나 배기가스를 여과해 함께 혼합하기도 했다. 하지만 현재까지 시멘트 공장에서 배출되는 배기가스에서 CO2 격리해 처리하기에 너무 불완전하다.

이런 이유로 연구원들은 소성을 보다 친환경적으로 만드는 방법을 찾는 중이다. 그 결과 열에 의한 것이 아니라 전기화학적 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 과정 중 석회를 형성하는 반응을 촉발한다. 이 석회는 포틀랜드 시멘트의 주요 성분 중 하나인 모래로 태워서 규산칼슘 알라이트로 전환될 수 있다. 연구원들은 "전기화학적으로 생성된 수산화칼슘이 포틀랜드 시멘트에서 주요 규산칼슘상의 합성에 적합한 전구체라는 것을 보여준다"고 설명했다.

이 반응의 부산물로서 CO₂도 방출되지만 엘리스와 연구팀이 설명한 것과 같이 기존 배기가스보다 CO2의 비율이 67%의 더 높다. 그 결과 이산화탄소 포집을 보다 효과적으로 만든다. 또한 연구원들에 따르면 석회는 시멘트 클링커의 종래 소결보다 약 300도 낮은 열에서 알라이트로 변환될 수 있다. 배기가스는 질소 산화물 대신 산소를 함유하기 때문에 연료로 사용될 수도 있다. 재생 가능 에너지로부터 전기를 공급받아 사실상 방출이 없는 것이다.

가장 큰 문제는 대규모 전기화학 공정에 따른 비용과 이 공정의 경쟁력 여부다. 엘리스 팀은 적어도 에너지 및 연료비용 측면에서 이 공정에 이점이 많다고 한다.

연구원들의 계산 결과 이 공정은 시멘트 1kg 당 5.2~7.1 메가줄(Mega Joule)이 필요, 현재 미국 시멘트 생산 시 이용되는 약 4.6메가 주울 보다 약간 더 많은 에너지가 필요하다. 하지만 이 공정은 석탄 비용이 들지 않고 전기화학적 변환을 위한 전기만 필요하므로 연구원들은 “다른 요인들을 무시한다면 전기 가격이 킬로와트시 당 2센트 미만이면 기존 시멘트 공장과 경쟁할 수 있다”고 말했다.

하지만 연구원들은 화학 반응기의 설계 및 수명과 관련된 추가비용 요소는 아직 계산할 수 없다고 인정한다. 그리고 여전히 많은 개발 작업이 필요하다고 말한다. 공동저자인 예트-민 창(Yet-Ming Chiang)“ “이것은 중요한 첫 단계이고 아직 완전히 개발된 방법은 아니다”라고 말했다.

<출처: 매사추세츠 공과 대학 (MIT) 2019.09.18.>

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