초임계 조건에서 광물질 및 폐기물을 이용한 이산화탄소 고정화 반응 특성 연구
A Study on the CO₂ Fixation of Various Minerals and Waste Materials under Super-critical Condition
- 주제(키워드) 광물질 , 폐기물 , 이산화탄소 고정화 반응 , 초임계
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 김형택
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 연구는 여러 공정을 통해 분리된 이산화탄소를 영구히 저장하는 탄산염 광물화 반응의 최적점을 도출하는데 그 목적이 있다. 이 기술의 장점은 이산화탄소와 광물의 탄산염 광물화 반응 후 안정된 상태로 전환되어 친환경적으로 영구히 이산화탄소를 저장할 수 있다는 점이다. 탄산염 광물화 반응은 자연 상에서 느리게 일어나는 풍화작용을 모방한 기술로써, 실제 산업 공정에서 이용되어지기 위해서 실제 time scale의 범위 하에서 탄산염광물화 반응이 이뤄져야한다. 이를 위해 본 연구에서는 탄산염 반응 속도를 높이는 목적으로 반응 온도와 압력 그리고 반응 첨가물을 사용하였으며, 이에 따른 반응성을 실험 후 비교하여 보았다. 실험 원료로 선택된 광물질은 사문석, 규회석, Coal ash, 그리고 Slag로 모두 탄산염 광물화 반응을 일으키는 Mg 성분과 Ca 성분을 함유하고 있다. 특히 사문석의 경우 열 전처리를 통하여 반응성을 증대를 기대하였으며, 분석 결과 600℃, 1시간의 열처리가 적합한 것으로 판단되었다. 또한 이러한 열처리로 인해 사문석 원석의 구성 성분과 광물 구조 또한 변화가 없는 것으로 분석되었으며, 초임계 상태에서의 탄산염 광물화 반응성 또한 증대 된 것으로 나타났다. 열 전처리를 후의 사문석과 규회석의 경우 Mg 같은 알카리 토금속류의 함유량이 40~50 wt% 이며, 이러한 비교적 높은 함유량을 지닌 광물들은 탄산염 광물화 반응을 통해 많은 40~55%의 이산화탄소 고정화 수율을 나타냈다. 반면, Coal ash와 Slag의 경우 알카리 토금속류의 함유량이 4~9 wt% 인 것으로 나타났으며, 이산화탄소 고정화 수율은 10~15%로 나타났다. 초임계 상태에서의 이산화탄소 고정화 반응의 온도와 압력의 영향은 이론적으로 볼 때, 실험 온도 범위 100, 200℃ 그리고 실험 압력 범위 100, 200atm 중 200℃, 100atm의 조건하에서 가장 좋은 반응성을 나타내었다. 반면 실험 결과 200℃, 200atm 의 조건하에서 가장 높은 이산화탄소 고정화 수율을 나타내었다. 또한 탄산염 광물화 반응을 촉진 시키는 촉진제로 사용된 NaHCO3와 NaCl 수용액은 첨가하지 않았을 때와 비교하여 약 35%의 이산화탄소 고정화 수율의 증가를 나타내었다.
more초록/요약
The proposed CO₂ removal technology in the this study is the one-step sequestration process that stabilizes CO₂ in a reactor with mineral resources. The advantage of this technology is associated with its high stability and the total system is recognized as perpetual environment-friendly and CO₂ removal method. The mineral carbonation imitates the weathering reaction of natural phenomenon. In this study, reaction temperature, pressure and solutions are changed to increase the reaction rate. The materials to be selected to experiments are serpentine, wollastonite, coal ash and slag. These materials have Mg and Ca ingredients to occur the carbonation. Specifically, in the case of the serpentine, to increase the reactivity of serpentine with CO₂, heat treatment was done at the temperature of 600℃ during 1hour. From the results of this study, heat treated serpentine has performed better fixation of CO₂ than untreated one. Alkaline earth metal such as Mg and Ca is included in serpentine and wollastonite about 40~50 wt%. These represent relatively high carboantion yield from 40 to 55%. On the other hand, coal ash and slag have less content of alkaline earth metal about 4~9 wt%. These materials represent carbonation yield of about 10~15%. The theoretical influence of the CO₂ carbonation temperature and pressure was studied. Temperature range 100, 200℃ and pressure range 100, 200atm, the condition of 200℃, 100atm represent the best carbonation yield. Meanwhile, the carbonation yield of conditions under 200℃, 200atm represents the highest value. Also to increase carbonation reactivity, NaHCO₃ and NaCl solutions used.
more목차
제1장 서론 = 1
1.1 연구배경 = 1
1.2 연구 내용 = 4
1.3. 여러 가지 이산화탄소 처리 기술 = 5
1.3.1 대수층 저장 = 5
1.3.2 고갈된 유전 및 가스전 저장 = 6
1.3.3 석탄층 저장 = 7
1.3.4 탄산염 광물 고정화 = 8
제2장. 광물질을 이용한 이산화탄소 고정화에 대한 이론적 연구 = 10
2.1 이산화탄소 고정화 이론과 반응 메커니즘 해석 = 10
2.2 이산화탄소 고정화 반응의 열역학적인 해석 = 12
2.3 탄산염광물화 반응의 효율 = 17
제3장. 이산화탄소 고정화 광물질 선정 및 Solution 특성 조사 = 20
3.1 이산화탄소 고정화 광물 선정 = 20
3.2 선정된 광물질에 대한 조사 = 21
3.3 탄산염광물화 반응 solution 특성 = 25
제4장. 대상 광물질 전처리 및 분석 = 26
4.1 대상 광물질의 전처리 = 26
4.2 사문석의 열처리 및 분석 = 27
제5장. 초임계 탄산염 광물화 실험장치의 설계 및 제작 = 36
5.1 장치 구성 = 36
5.2 장치 운전 절차 = 37
제6장. 광물질을 이용한 이산화탄소 고정화 실험 결과 = 39
6.1 사문석의 열처리 유무와 NaHCO₃의 영향 분석 = 39
6.2 반응시간에 따른 초임계 상태에서 이산화탄소 고정화 실험 = 41
6.3 반응 용액에 따른 초임계 상태에서 이산화탄소 고정화 실험 = 42
6.4 반응 온도와 압력에 따른 초임계 상태에서 이산화탄소 고정화 실험 = 44
6.5 시료에 따른 초임계 상태에서 이산화탄소 고정화 실험 = 45
제7장. 결론 = 46
참고 문헌 = 50
