해수담수화 농축수의 전기분해 및 광물탄산화 연계 공정에서의 CO2 제거효율 평가 (Assessment of CO2 Removal Efficiency in an Integrated Process of Electrolysis and Mineral Carbonation Using Concentrated Brine from Seawater Desalination)

서지정보

· 발행기관 : 대한토목학회
· 수록지 정보 : 대한토목학회논문집(국문) / 45권 / 2호 / 193 ~ 202페이지
· 저자명 : 채치현, 이상민, 임정은

초록

기후변화 대응을 위한 탄소중립 실현은 현대 환경기술의 핵심 과제로, 탄소포집·활용·저장(CCUS) 기술의 혁신적 접근이 절실히 요구되고 있다.
본 연구에서는 해수담수화 농축수를 활용한 전기화학적 연속식 광물탄산화 공정을 개발하고, CO2 제거 성능과 탄산화 메커니즘을 규명하였다. 해수전해 반응기에서 체류시간에 따른 음극측의 양이온 농축 특성을 분석한 결과, Ca2+ 이온의 농축률이 최대 3.9배 증가하여 광물탄산화 공정에서 양이온 가용성 개선을 실험적으로 입증하였다. 전기분해 후 광물탄산화 반응조로 유입되는 음극수 유입유량(8~100 mL/min)에 따른 CO2 제거성능을 평가한 결과, 유입유량과 CO2 제거량 사이에 유의미한 선형적 상관관계를 확인되었으며, 해당 관계는 “CO2 제거량=0.16×유입유량 +22.96”(R2=0.975)으로 나타났다. 최적 운전조건(해수 유입유량 15 mL/min, 음극수 유입유량 100 mL/min)에서 4000초 동안 진행된 실험에서는 연속적으로 86.1 %의 CO2 제거율과 46.9 mmol/hr의 CO2 제거 성능을 달성하였다. 추가적으로, Mg이 배제된 음극수 상등액을 활용한 광물탄산화 실험에서 생성된 침강성 탄산화물의 결정 구조가 XRD 분석을 통해 고순도의 Calcite(CaCO3)임을 확인하였다. EDS 분석 결과, 생성물의 주요 원소 조성이 이론적 탄산칼슘(CaCO3) 조성과 일치하였으며, 생성물이 고순도 Calcite임을 입증하였다. 이러한 결과는 해수를 활용한 CO2 저감 및 탄산화 공정의 높은 잠재력을 보여주며, 탄소중립 목표 달성을 위한 CCUS 기술로서의 실용화 가능성을 제시한다.

영어초록

Achieving carbon neutrality to combat climate change is a critical challenge in modern environmental technology, emphasizing the urgent need for innovative approaches in carbon capture, utilization, and storage (CCUS) technologies. In this study, an electrochemical continuous mineral carbonation process utilizing seawater desalination brine was developed to evaluate CO2 removal performance and elucidate carbonation mechanisms. Analysis of cation enrichment in the cathodic side of the seawater electrolysis reactor under varying retention times revealed a maximum 3.9-fold increase in Ca2+ concentration, experimentally demonstrating the improvement of cation availability in the mineral carbonation process. Evaluation of CO2 removal performance based on catholyte inflow rates (8-100 mL/min) indicated a significant linear correlation between inflow rate and CO2 removal, expressed as “CO2 removal = 0.16×catholyte inflow + 22.96”(R2=0.975). Under optimal operating conditions (seawater inflow rate: 15 mL/min; catholyte inflow rate: 100 mL/min), the continuous mineral carbonation process achieved a CO2 removal efficiency of 86.1 % and a removal rate of 46.9 mmol/hr over 4000 seconds. Furthermore, mineral carbonation experiments using Mg-depleted catholyte supernatant confirmed that the precipitated carbonate was high-purity calcite (CaCO3), as verified by XRD and EDS analyses. The elemental composition of the product closely matched the theoretical composition of calcium carbonate. These results highlight the significant potential of seawater-based CO2 reduction and integrated carbonation processes, offering promising prospects for the practical application of CCUS technologies in achieving carbon neutrality.

참고자료

· 없음