이산화탄소를 저장하는 탄산수 콘크리트

노스웨스턴 대학교(Northwestern University)가 이끄는 엔지니어 팀은 콘크리트 제조 과정에서 정수가 아닌 탄산수 기반 솔루션을 사용하여 유비쿼터스 건축 자재에 이산화탄소(CO2)를 저장하는 새로운 방법을 발견했다.

새로운 공정은 끊임없이 따뜻해지는 대기로부터 CO2를 격리하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 타협할 수 없는 강도와 내구성을 지닌 콘크리트를 만들어낸다.

실험실 실험에서 이 공정은 최대 45%의 CO2 격리 효율을 달성했다. 이는 콘크리트 제조 중에 주입된 CO2의 거의 절반이 포집되어 저장되었음을 의미한다. 연구원들은 그들의 새로운 공정이 전 세계 온실가스 배출의 8%를 차지하는 시멘트 및 콘크리트 산업의 CO2 배출을 상쇄하는 데 도움이 될 수 있기를 바라고 있다.

이번 연구를 주도한 노스웨스턴 대학교의 알레산드로 로타 로리아(Alessandro Rotta Loria)는 "시멘트 및 콘크리트 산업은 인간이 유발하는 CO2 배출에 크게 기여한다."라고 말했다. "우리는 해당 산업과 관련된 CO2 배출량을 낮추고 궁극적으로 시멘트와 콘크리트를 대규모 '탄소 흡수원'으로 전환할 수 있는 접근 방식을 개발하려고 노력하고 있다. 아직 목표에 도달하지는 못했지만 동일한 재료로 콘크리트를 제조하면서 배출되는 CO2의 일부를 재사용할 수 있는 새로운 방법이 생겼다. 그리고 우리의 솔루션은 기술적으로 매우 간단하여 업계에서 구현하기가 비교적 쉬울 것이다."

이전 프로세스의 한계

인프라에서 타협할 수 없는 부분인 콘크리트는 물 다음으로 세계에서 가장 많이 소비되는 재료 중 하나이다. 가장 간단한 형태의 콘크리트를 만들기 위해 작업자는 물, 잔골재(모래 등), 굵은 골재(자갈 등) 및 시멘트를 혼합하여 모든 성분을 하나로 묶는다. 1970년대부터 이전 연구자들은 콘크리트 내부에 CO2를 저장하는 다양한 방법을 탐구해 왔다.

"시멘트는 이미 CO2와 반응한다는 생각이다"라고 로타 로리아는 설명했다. "이것이 콘크리트 구조물이 자연적으로 CO2를 흡수하는 이유이다. 그러나 물론 흡수된 CO2는 콘크리트를 만드는 데 필요한 시멘트 생산에서 배출되는 CO2의 작은 부분이다."

CO2를 저장하는 과정은 경화 콘크리트 탄산화 또는 신선한 콘크리트 탄산화라는 두 가지 범주 중 하나로 분류된다. 경화 방식에서는 단단한 콘크리트 블록을 고압에서 CO2 가스가 주입되는 챔버에 배치한다. 새로운 버전에서는 작업자가 콘크리트가 생산되는 동안 물, 시멘트 및 골재 혼합물에 CO2 가스를 주입한다.

두 가지 접근법 모두 주입된 CO2의 일부는 시멘트와 반응하여 고체 탄산칼슘 결정이 된다. 그러나 두 기술 모두 거래를 중단시키는 한계를 공유한다. 이는 낮은 CO2 포집 효율성과 높은 에너지 소비로 인해 방해를 받는다. 더 나쁜 점은 결과로 나온 콘크리트가 약화되어 적용 가능성을 방해하는 경우가 많다는 것이다.

"더 흥미롭게도 시멘트 기반 재료의 탄산화를 가속화하고 강조하는 이러한 접근 방식은 CO2가 핵심 성분이 되는 새로운 클링커 기반 제품을 설계할 수 있는 기회를 제공한다."라고 연구 공동 저자이자 글로벌 연구 개발 담당 부사장인 다비데 잠피니(Davide Zampini)가 말했다.

로타 로리아는 노스웨스턴 맥코믹 공과대학의 토목 및 환경 공학과 루이스 버거(Louis Berger) 조교수이다. 이 연구는 로타 로리아 연구소와 지속 가능한 건설에 전념하는 글로벌 건축 자재 회사인 CEMEX 간의 협력으로 이루어졌다.

타협할 수 없는 힘

노스웨스턴 대학교의 새로운 접근 방식에서 연구원들은 신선한 콘크리트 탄산화 공정을 활용했다. 하지만 재료를 모두 섞으면서 CO2를 주입하는 대신, 시멘트 가루를 소량 섞은 물에 먼저 CO2 가스를 주입했다. 이 탄산 현탁액을 나머지 시멘트 및 골재와 혼합한 후 제조 과정에서 실제로 CO2를 흡수하는 콘크리트를 만들었다.

"우리의 접근법에서 탄산화 된 시멘트 현탁액은 탄산염 콘크리트에 대한 현재의 접근법에서 관례적으로 사용되는 물, 시멘트 및 골재의 혼합에 비해 훨씬 낮은 점도의 유체이다."라고 로타 로리아는 말했다.” "따라서 우리는 이를 매우 빠르게 혼합하고 탄산칼슘 광물을 생성하는 화학 반응의 매우 빠른 동역학을 활용할 수 있다. 그 결과, 새로운 콘크리트 혼합물에 CO2를 주입했을 때와 비교하여 상당한 농도의 탄산칼슘 미네랄을 함유한 콘크리트 제품이 탄생했다."

탄산 콘크리트를 분석한 후 로타 로리아와 그의 동료들은 그 강도가 일반 콘크리트의 내구성과 맞먹는다는 사실을 발견했다.

"탄산화 접근법의 전형적인 한계는 강도가 종종 화학 반응에 의해 영향을 받는다는 것"이라고 그는 말했다. "그러나 우리의 실험에 따르면 강도가 실제로 더 높을 수도 있다는 것을 보여준다. 아직 더 테스트해야 하지만 최소한 타협할 수 없다고 말할 수 있다. 강도가 변하지 않기 때문에 응용 프로그램도 손상되지 않는다. 변경되지 않는다. 이는 빔, 슬래브, 기둥, 기초 등 현재 콘크리트를 사용하는 모든 것에 사용될 수 있다."

잠피니는 "이 연구 결과는 시멘트 기반 재료의 탄산화는 잘 알려진 반응이지만 재료 가공과 관련된 메커니즘에 대한 더 나은 이해를 통해 CO2 흡수를 더욱 최적화할 여지가 여전히 있다는 것을 강조한다"라고 말했다.

"현탁액에서 시멘트를 탄산화하여 콘크리트를 강화하면서 CO2를 저장하는 방법"이라는 연구는 CEMEX Innovation Holding Ltd.의 지원을 받았다.

이번 연구는 Nature Portfolio가 발행하는 저널인 Communications Materials에 오늘 게재되었다.