탄소를 포집하면서 해수에서 시멘트 재료 추출

콘크리트는 현대 사회에 필수적인 재료이며, 모래와 시멘트는 실제로 부피와 무게 기준으로 세계에서 가장 대량으로 생산되는 재료에 속합니다.

출처: 비주얼 캐피탈리스트

시멘트 생산 역시 매우 에너지 집약적인 활동입니다. 또한 거의 전적으로 화석 연료로 구동되므로 시멘트 생산은 세계 CO8 배출량의 2%를 차지합니다..

이는 자동차와 밴의 CO2 배출량과 비교할 수 있습니다. 전 세계 총 배출량의 10%를 차지하는따라서 콘크리트를 더욱 지속 가능하게 만드는 것은 전 세계의 모든 자동차를 전기 자동차로 바꾸고 이를 오로지 친환경 에너지로만 구동하는 것만큼이나 큰 영향을 미칠 것입니다.

시멘트 제조 과정에서 발생하는 탄소 배출량의 상당 부분은 시멘트 생산에 사용되는 원료의 채굴, 파쇄, 가공, 정제 과정에서 발생합니다. 석회석과 마찬가지로 탄산칼슘이 풍부한 암석(CaCO3)을 채굴하여 점토와 혼합하여 콘크리트의 원료를 얻습니다.

지구상에는 잠재적으로 탄산칼슘의 또 다른 공급원이 있는데, 바로 바닷물입니다. 바다에는 많은 용해된 미네랄이 포함되어 있습니다. 물론 식탁염(나트륨 및 염소 이온)뿐만 아니라 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 심지어 금속도 포함되어 있습니다. 특히 우라늄은 언젠가는 우라늄 광산 대신 전 세계 바다에서 공급될 가능성이 있습니다.. 탄산염 이온 형태의 용해된 CO2도 바다에 풍부하여, 바다는 지구에서 가장 강력한 탄소 흡수원 중 하나입니다.

출처: 진보된 지속 가능한 시스템

노스웨스턴 대학교와 스위스 CEMEX Innovation Holding AG의 과학자들은 현재 바다에서 생성된 풍부한 이산화탄소를 활용하여 콘크리트 원료를 생산하고 이산화탄소를 배출하는 대신 포집할 수 있는지 연구하고 있습니다. 연구 결과는 Advanced Sustainable Systems에 게재되었습니다.¹, 제목 아래 '가변 전기화학적 전위 및 이산화탄소 주입을 위한 해수 내 탄소 포획 미네랄의 전기 도금".

물 전기 분해

물(H2O)은 강력한 전류를 흘려 수소와 산소의 구성 요소로 분해될 수 있으며, 이때 일반적으로 전기화학 반응의 속도와 효율을 높이기 위한 촉매가 사용됩니다. 이는 재생 에너지에서 전기를 공급받는 친환경 수소 생산의 기반이 됩니다.

그러나 순수하지 않은 물을 사용하여 이 과정을 수행하면, 특히 바닷물을 사용하여 이 과정을 수행하면 전기분해 반응이 물에 녹아 있는 미네랄과도 반응합니다.

이는 일반적으로 원치 않는 반응으로, 전극에 침전물을 생성하고 수소 생산이라는 의도된 목적에서 에너지가 전용될 수 있습니다.

그러나 전기분해 조건을 조정하면 원치 않는 부산물 반응을 탄산칼슘을 생산하는 귀중한 새로운 방법으로 바꿀 수 있습니다.

해수에서 시멘트 생산

무제한 공급

이는 반드시 새로운 아이디어는 아닙니다. CaCO3와 해수에서 추출한 마그네슘은 콘크리트, 시멘트, 석고, 그림, 필러 생산을 포함한 건설, 제조, 환경 개선 산업에서 다양한 용도로 활용되기 때문입니다.

지구를 덮고 있는 광활한 바다는 사실상 무한한 양의 이 물질을 공급할 수 있기 때문에, 이는 이 물질의 가장 지속 가능한 잠재적 공급원으로 여겨져 왔습니다.

지금까지 이러한 광물의 전기 환원만을 연구하는 것만으로는 해수에서 경제적으로 생산할 수 있는 실질적인 방법을 찾지 못했습니다. 바로 이 지점에서 노스웨스턴 대학교 연구진은 중요한 추가 단계, 즉 CO2를 공정에 첨가하는 방법을 도입했습니다.

해수에 CO2 주입

해수는 다양한 미네랄이 복잡하게 섞인 물이기 때문에 전기분해를 적용하면 칼슘과 마그네슘 이온의 침전, 황산염으로부터 석고 형성, 염소 및 수소 가스 생성, 각 전극 주위의 산성도 변화 등 전기화학적 현상이 한꺼번에 발생합니다.

출처: 진보된 지속 가능한 시스템

CO2 주입은 해수의 pH를 낮추므로 복잡성을 더합니다. CO2에 의한 pH 감소는 전기 에너지에서 생성되는 OH- 이온으로 부분적으로 상쇄됩니다.

탄산칼슘의 용해 또는 침전은 물의 산성도에 따라 달라집니다. 사실, 이는 과학자들에게 우려되는 현상입니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 높아질수록 바닷물의 산성도는 더욱 높아지기 때문입니다.

전류가 충분히 강하고 그에 따라 OH- 이온이 생성되면 pH를 8.5 이상으로 유지할 수 있습니다.

이러한 산성도 수준에서 화학 반응은 CO2를 포획하여 용해된 중탄산염 이온(HCO3-)으로 전환합니다.

출처: 진보된 지속 가능한 시스템

이 중탄산염 이온은 칼슘과 반응하여 콘크리트 생산의 기본 재료인 탄산칼슘으로 침전됩니다.

탄소 격리 최적화

이러한 유형의 반응에서는 시멘트 산업에 사용할 수 있는 탄산칼슘을 생산하면서 대기 중으로 CO2를 방출하는 대신 주입된 CO2를 포집할 수 있습니다.

어떤 전력을 사용하든, 소비되는 에너지는 최소화하면서 광물 생산 수율은 극대화하는 최적의 CO2 주입 유량이 존재합니다. 0.30 sccm의 CO2 농도가 가장 적합한 것으로 나타났는데, 이 경우 전력 수준이 낮아도 많은 양의 광물 침전이 발생합니다.

출처: 진보된 지속 가능한 시스템

사용 가능한 보증금 생성

이 개념을 산업적 응용 분야에 적용하는 데 있어서 발생하는 문제는 전기분해를 통한 수소 생산 과정에서 탄산칼슘 침전에 발생하는 문제와 동일합니다.

대부분의 경우, 칼슘 침전물은 전극 표면을 막아 전체 시스템을 손상시키고 시간이 지남에 따라 효율성을 떨어뜨립니다.

그러나 이 실험에서 사용된 더 높은 전력 수준은 CO2 주입과 결합되었을 때 추가 반응을 일으켜 침전된 탄산칼슘이 전극에서 분리되게 했습니다.

따라서 전반적으로 이 방법을 사용하면 전극을 막지 않고 탱크 바닥에 미네랄 침전물로 쉽게 수집할 수 있는 방식으로 탄산염을 생산할 수 있습니다.

미네랄 결정 성장

조건에 따라 다양한 광물 집합체가 서로 다른 결정 조건을 가지며, 특히 탄산칼슘 결정(방해석과 아라고나이트)과 마그네슘 결정(브루사이트)이 형성됩니다.

출처: 진보된 지속 가능한 시스템

전체적으로, 최종 물질은 수 센티미터(1~2인치) 길이의 결정으로 만들어질 수 있으며, 또한 매우 다공성입니다.

제안된 접근 방식을 사용하여 합성된 골재의 구성, 다공성 및 크기는 콘크리트와 같은 재료에 사용하기 위한 현재 표준을 충족합니다.

맺음말

전반적으로, 이 출판물은 해수 전기분해 중 탄소 주입을 사용하면 탄소 음성 시멘트 재료를 생산하는 것이 이론적인 가능성일 뿐만 아니라 실행 가능한 옵션임을 입증합니다.

경도와 내마모성과 같은 다른 중요한 매개변수는 최종 재료가 건설 프로젝트에 사용 가능한지 완전히 확인하기 위해 아직 조사가 진행 중입니다.

이 과정은 본질적으로 확장 가능하며, 희귀한 재료의 가용성, 과도한 에너지 소비 또는 낮은 수율로 인한 명확한 제한이 없습니다.

상호 연결되고 확장 가능한 원자로 네트워크를 구상함으로써, 이 접근 방식은 산업적 규모로 배치되고 해안 산업 시설과 같은 기존 인프라와 통합될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

반응기 설계를 더욱 발전시키면 전극 구조, 재료, 흐름 역학을 최적화하는 등의 방법을 통해 전반적인 경제성과 에너지 효율성을 높일 수 있을 것입니다.

궁극적으로 탄산칼슘이 추출된 물은 해수에서 수소를 생성하는 2차 단계에 적합한 흥미로운 물질이 될 수도 있습니다. 이온 농도가 낮으면 전극에 미네랄이 쌓이는 것과 관련된 문제를 줄이는 데 도움이 될 것입니다.

지속 가능한 시멘트에 투자

CRH PLC

시멘트 생산 분야의 세계적인 선두 기업 중 하나인 CRH는 시멘트 건설을 더욱 지속 가능한 산업으로 발전시키는 데 중요한 역할을 할 것입니다. CRH는 미국과 유럽 시장에서 건설 자재 공급량 1위를 차지하고 있습니다.

이 회사는 28개국 3,390개 지역에서 사업을 운영하고 있으며, 78,500명의 직원을 고용하고 있습니다. CRH Americas가 글로벌 매출의 65%를 차지합니다.

출처: CRH

이 회사는 서방 정부의 인프라에 대한 강력한 지출이 사업 성장에 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다. 재산업화와 하이테크 제조의 온쇼어링 추세도 도움이 될 것입니다.

지속 가능성

CRH는 일련의 이니셔티브를 통해 지속 가능성 측면에서 큰 진전을 이루었습니다.

• 이 회사는 북미에서 가장 큰 재활용 기업으로, 1년에는 다른 산업에서 발생한 폐기물과 부산물 43.9만 톤을 재활용했습니다.
• 시멘트 공장에서 2%의 대체 연료를 사용한 덕분에 8년에는 CO2023 배출량을 36% 줄일 수 있었습니다.
• 30년까지 배출량을 2030년 배출량 대비 2021% 감축하는 것을 목표로 하고 있습니다.

이는 그 자체로는 칭찬할 만한 일이지만, 너무 적고 너무 늦은 것으로 볼 수도 있습니다.

다행히도 CRH는 업계의 더 근본적인 변화의 원동력이기도 합니다. 특히, 유럽 ​​콘크리트 거대 기업인 Holcim과 함께 저탄소 시멘트 회사 Sublime에 75만 달러를 투자했습니다..

숭고한 시스템 2020년 MIT에서 분사된 이 기술은 전해조를 이용하여 상온에서 시멘트를 생산함으로써 에너지와 화석 연료를 많이 사용하는 가마를 대체합니다. 또한, 석회석 투입 시 이산화탄소 배출을 방지하면서 칼슘 공급원을 투입 재료로 사용할 수 있습니다.

매사추세츠주 홀리오크에 있는 Sublime의 첫 번째 상업 시설은 2026년 초에 개장할 예정입니다. 성공적이라고 입증된다면 시멘트 산업에 큰 변화를 가져올 수 있으며 확장 가능한 저배출 콘크리트로 가는 길을 열 수 있습니다.

“Sublime은 시멘트 제조에서 파괴적인 힘입니다. 이 회사의 독특한 기술은 깨끗한 전기 사용에서 탄소 없는 원자재에 이르기까지 전체 생산 공정에 걸쳐 있습니다. 우리는 이 회사의 잠재력에 흥분하며, 이를 규모 있게 시장에 출시하기 위해 협력하게 되어 기쁩니다. 이 투자는 가장 혁신적인 기술을 확장하여 건설의 탈탄소화를 가속화하려는 Holcim의 전략과 완벽하게 일치합니다.”

Nollaig Forrest 경위 – Holcim의 최고 지속 가능성 책임자

CRH는 또한 다른 탈탄소화 및 지속 가능성 스타트업에도 투자했습니다.

• 23.7억 유로 쿨 플래닛 테크놀로지스, 전통적으로 탈탄소화가 어려웠던 산업을 대상으로 탄소 포집 솔루션을 개발합니다.
• CRH 및 기타 투자자가 34.7만 달러를 투자 탄소 업사이클링 기술시멘트, 플라스틱, 소비재, 비료, 의약품과 같은 산업 부산물과 광물에 CO2를 영구적으로 저장하기 위해 전기식 광물화 솔루션을 사용합니다.
• AI크리트현지 콘크리트 생산자와 협력하여 AI 분석을 통해 현지 자재를 최적화하고 시멘트 사용량을 최소화하는 '서비스형 레시피' 플랫폼으로, CO2 배출량과 콘크리트 생산 비용을 모두 줄입니다.
• FIDO AI의 시리즈 B 펀딩은 AI를 사용하여 물 소비를 줄이고 물 절약을 늘리는 스타트업입니다.

전반적으로 CRH는 콘크리트 산업에서 수익성 있는 선두주자이며, 기존 시설을 직접적으로 운영하고 혁신적인 신생 기업에 자본을 공급하는 주요 기업으로서 차세대 시멘트 및 콘크리트 생산 기술을 개발하는 방식으로 산업의 탈탄소화를 매우 적극적으로 준비하고 있습니다.

CHR의 최신 소식

참고 연구:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, AF (2025). 다양한 전기화학적 전위와 이산화탄소 주입을 위한 해수 속 탄소 포집 미네랄의 전기 도금. 고급 지속 가능 시스템, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}