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광물 탄산화(mineral carbonation) 이산화탄소 저장온실가스 배출 저감과 함께 생성물 탄산염을 산업자원으로 활용
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승인 2014.03.18  11:22:01
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산업시장분석실 책임연구원 김경호 (Tel: 02-3299-6010  e-mail: kimkho@kisti.re.kr)

[요 약]

1. 광물 탄산화 방법은 천연 실리케이트 광물의 자연풍화(natural weathering) 현상을 모방한 지구모방기술(geomimicry)로 이론적으로는 이산화탄소(CO2)를 안전하게 영구히 무한 저장할 수 있기 때문에, 이산화탄소의 대기 중 방출을 저감하기 위한 장기적 해결책으로 주목되고 있다.
2. CO2 광물 탄산화 공정에서 최종 생성물인 탄산염(탄산칼슘, 탄산마그네슘)과 실리카는 제지, 플라스틱, 접착제, 페인트, 고무 등 여러 산업에서 유용하게 사용될 수 있기 때문에 광물 탄산화 공정의 경제성을 높이는 효과가 있다.
3. 광물 탄산화 기술의 상용화를 위해서는 암석 채광, 원재료 수송, 에너지 소요, 광물 전처리, 탄산화 반응속도 증가, 공정 조건 최적화, 공정비용, 탄산염의 처분 및 재사용, 환경영향 등에 대한  평가가 철저히 이루어져야 하며, 공정의 경제성 향상을 위해 탄산화 공정을 포집 공정과 통합하고, 공정 부산물의 상업적 활용을 적극 개발할 필요가 있다.

광물 탄산화의 개요
현재 지구기후변화를 야기하는 주된 온실가스인 이산화탄소(CO2)의 대기 중 배출을 줄이는 방법에는 저에너지․고효율 기술 전환, 저탄소 함유 대체원료 사용, 탄소포집 및 지층저장 기술 확립, CO2의 산업적 활용 등 수많은 방법이 있다. 화력발전소 등에서 배출되는 대량의 CO2를 저장하는 방법으로서 가장 많이 거론되는 기술이 해양저장(해저 3000m 깊이로 펌프 이송), 지층저장(geosequestration, 다공성 암반에 주입), CO2의 광물 탄산화(mineral carbonation, mineralization) 등이다. 여기서 심해에 주입된 이산화탄소는 대기 중으로 다시 누출될 가능성이 있으며, 지층저장은 저장 위치가 CO2 배출원의 지구적 분포와 일치하지 않아서 유용하지 못하다는 단점이 있다. 그러나 광물 탄산화 방법은 천연 실리케이트 광물의 자연풍화(natural weathering) 현상을 모방한 지구모방기술(geomimicry)로, CO2를 지질학적 시간 스케일(geological time scale)로 안전하게 포집․저장하는 기술로써 영구적인 해결책이라 할 수 있다. 이 기술은 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg)계 금속산화물 재료(실리케이트 광물)와 CO2를 반응시켜 고체의 금속탄산염(CaCO3, MgCO3 등)과 고형 부산물(실리카 등)을 생성시키는 방법이다. 생성물인 탄산염은 자연에서 존재하는 안정한 고체물질이다. 1톤의 CO2를 고정화하는데 약 1.6~3.7톤의 암석이 필요한 것으로 추정되는데, 마그네슘과 칼슘 실리케이트 광상(deposit)은 모든 화석연료자원의 연소로부터 발생되는 CO2를 고정화(fixation)할 만큼 지구상에 충분히 많이 존재한다.

자연에서의 광물 탄산화의 반응속도는 매우 느리게 진행되므로, 현재 이 반응속도를 증가시키는데  많은 비용과 에너지가 들고 있어 상업적 규모의 실증 플랜트로 나아가지 못하고 있다. 그러나 반응에서 생성되는 열을 포집하여 효과적으로 사용한다면 탄산화 공정의 효율과 발전소의 성능(운전 효율)을 증가시킬 수 있으며, 반응에서 생성되는 실리카(SiO2)와 탄산염은 산업적으로 유용한 자원이 될 수 있다. 이러한 부생물을 적절히 이용한다면 운전비용의 저감과 함께 경제적인 공정을 기대할 수 있다.

광물 탄산화 공정 기술
실리케이트 암석의 경우, 탄산화는 실리케이트를 채광, 전처리한 후 외부의 화학공장에서 수행될 수도 있고(ex-situ 처리), 현장에서 CO2를 실리케이트가 풍부한 지질층이나 알칼리 대수층에 직접 주입함으로써 행해질 수도 있다(in-situ 처리). 한편 금속산화물 함유 산업 폐기물(콘크리트, 시멘트 등)은 탄산화를 위해 다른 장소로 이동할 필요가 없이 폐기물이 발생된 동일한 플랜트 내에서 탄산화 처리가 가능하다.

   
 

광물 탄산화는 크게 직접탄산화법과 간접탄산화법으로 분류된다(<그림 2>). 직접탄산화법은 기상(건식)공정, 액상(습식)공정, 용융염공정으로 나뉘며, 액상공정에는 1단계, 2단계, 3단계 공정이 있다. 간접탄산화법은 액상공정과 용융염공정으로 나뉘며, 액상공정에는 염산, 초산 추출 공정이 있으며 2단계 또는 다단계 공정으로 수행된다. 용융염 공정은 직접법, 간접법 양 방법에 의해 수행될 수 있다.

   
<그림 2> 광물 탄산화 공정의 분류

광물 탄산화의 가장 간단한 방법은 가스상 CO2와 금속산화물을 함유한 입자상 재료를 적절한 온도와 압력에서 반응시키는 것이다. 그러나 이러한 기체-고체 직접반응은 너무 느려서 실용적이지 못하며, 전반적으로 현재 가장 유망한 공정은 직접 액상 탄산화 공정이다. 이 공정은 용해와 탄산화 반응이 하나의 단위 조작으로 결합되어 있으며, 합리적인 반응 속도를 가지며 염소가 사용되지 않는다는 장점이 있다. CO2가 금속산화물(CaO, MgO 등)과 반응할 때 다음 반응식에 따라 해당 금속의 탄산염이 생성되고 열이 방출된다. 이 열방출 때문에 탄산염의 생성은 열역학적으로 저온이 선호된다.

CaO + CO2 → CaCO3 + 179 kJ/mole
MgO + CO2 → MgCO3 + 118 kJ/mole

광물 탄산화의 핵심 이슈는 탄산화를 가속화시키는 방법을 찾는 것이며, 환경적 제약 속에서 에너지 및 물질의 손실을 최소화하기 위하여 반응열을 이용하는 것이다. 
   
 
광물 탄산염의 응용 시장
광물 탄산화 공정은 경제성 문제로 인해 아직 상업화의 단계에는 이르지 못하고 있다. 그러나 CO2 광물 탄산화 공정의 최종 생성물인 탄산염(탄산칼슘, 탄산마그네슘)과 실리카는 자원적 효용 가치가 크므로, 여러 산업에 적극 활용하면 광물 탄산화 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다. 현재 산업에서 사용되고 있는 탄산칼슘(CaCO3)은 고품위인 경질(침강) 탄산칼슘(precipitated calcium carbonate, PCC)과 불순물 함량이 다소 높은 중질 탄산칼슘(ground calcium carbonate, GCC)으로 나뉜다. GCC와 PCC는 동일한 화학성분(CaCO3)를 갖고 있지만 제조 방법과 순도에 있어 차이가 있다. GCC는 보통 순수한 조성을 갖는 백악(chalk), 이회암(marl), 조개껍데기(shell) 등의 석회암이나 대리암을 보통 325 mesh(40㎛) 이하의 크기로 분쇄해서 얻어지며 제지, 플라스틱, 고무, 접착제, 방수제(sealant), 유리, 동물사료, 건설재료 등에 충전제(filler)로 사용된다. 한편 PCC는 원료로 석회석과 CO2를 사용하여 광물 탄산화 공정과 동일한 화학적 방법(탄산화 공정)에 의해 제조된다. PCC는 고순도(>99%) 탄산칼슘 분말이며 제약산업(정제 및 캡슐의 희석제, 제산제, Ca 공급원 등), 식품산업(식품 첨가물) 등에 사용된다.

<그림 3>은 2011년-2016년 탄산칼슘의 용도별 시장 전망을 나타낸 것으로 탄산칼슘(GCC 및 PCC)의 수요가 증가함에 따라 생산량도 계속 증가하고 있다. 시장을 용도별로 보면 2011년의 경우 제지용이 37%로 제일 크며, 그 다음이 플라스틱 25%, 도료 12%, 접착제/실런트 7%, 고무 7% 순이며, 기타 11%이다. 향후엔 플라스틱, 도료 시장이 급속하게 성장할 것으로 예측되고 있다. 전체 탄산칼슘의 세계 시장규모는 2011년에 약 8,100만 톤(GCC 84.2%, PCC 15.8%)이었으며, 2016년엔 약 9,800만 톤에 이를 전망이다. 이 기간 동안 연평균 성장률(CAGR)은 약 3.9%로 예측된다. 톤당 가격은 GCC가 100~200 달러, PCC가 375~550 달러 수준이다. 지역별 수요는 중국에서의 수요 급증으로 아시아 지역이 42%로 가장 높으며. 그 다음이 유럽 28%, 북미 21%, 기타 9% 순이다.
   
 
세계적으로 보면 탄산칼슘 제조 기업들의 경쟁은 치열해지고 있으며, 최근 새롭게 공장을 건설하거나 인수하는 일이 많아지고 있다. 세계적 주요 기업은 2012년 생산량 순으로 Omya가 약 530만 톤으로 가장 크며, 그 다음이 Imerys, Mineral Technologies Inc(MTI), Hubber, Cameuse, Lhoist 순이다. 이중 Omya와 Imerys는 주로 GCC를 생산하고 있으며, 소량의 PCC도 함께 생산하고 있다. 이에 비해 Mineral Technologies Inc(MTI)는 PCC를 훨씬 많이(약 65.2%) 생산하고 있다. Hubber, Cameuse, Lhoist는 GCC만을 생산하고 있다. 
   
 
광물 탄산화 기술의 전망
다른 CO2 저장법과 비교해 광물 탄산화의 근본적인 장점은 CO2의 영구 저장 특성과 이론적인 무한 저장 능력이다. 따라서 광물 탄산화에 의한 CO2 저장은 장기적 대안이 될 수 있다. 반면 광물 탄산화의 단점은 대부분의 지층저장보다 비싸고, 대규모 채광과 관련한 환경문제가 포함되어 있다는 것이다(지형변화, 석면 오염에 의한 분진공해, 잠재적 미량원소 유통). 광물 탄산화는 아직 성숙된 실용기술이 아니기 때문에 상용화를 위해서는 채광, 원재료 수송, 에너지 소요, 광물의 전처리, 탄산화 반응속도 증가, 공정 조건의 최적화, 공정비용, 탄산염의 처분 및 재사용, 환경영향 등에 대한 평가가 철저히 이루어져야 한다. IEA Greenhouse Gas R&D Programme은 현재 광물 탄산화 공정의 비용을 60-100 달러/톤CO2로 추산하고 있으나, 실은 여기에 50-60 달러/톤CO2의 포집 및 수송비용이 추가되어야 한다. 광물 탄산화 공정의 경제성을 향상시키기 위해서는 탄산화 공정을 포집 공정과 통합하고, 공정 부산물의 상업적 활용을 적극 개발할 필요가 있다.
 

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