탄소 포집 및 저장 방법에 대해 설명해 주세요.

Question

화력 발전소나 공장 굴뚝에서 나오는 온실가스가 하늘로 올라가기 전에, 아민 계열의 흡수제나 다공성 필터를 이용해 이산화탄소 분자만 선택적으로 분리해 냅니다. 탄소 포집 및 저장 방법에 대해 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

화력발전소나 제철소 등의 굴뚝에서 배출되는 거대한 가스 기둥 속에는 질소, 수증기, 이산화탄소 등 수많은 기체가 섞여 있습니다. 이 혼합 가스에서 온실가스의 주범인 이산화탄소 분자만 선택적으로 걸러내는 기술을 탄소 포집 및 저장(CCS)이라고 합니다. 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 화학적 원리에 대해 설명해 드릴게요.

혼합 가스에서 이산화탄소 분자만 골라내기 위해 화학적 흡수 방식과 물리적 흡착 방식이 주로 사용됩니다. 화학적 흡수는 현재 상용화 수준이 가장 높은 대표적인 기술입니다. 단에탄올아민 같은 알칼리성 아민 화합물이 산성 기체인 이산화탄소와 강하게 결합하는 성질을 이용합니다. 물리적 흡착 방식은 액체 흡수제를 끓여서 이산화탄소를 떼어내는 데 들어가는 막대한 열에너지를 줄이기 위해 다공성 고체 필터 기술을 이용합니다.

포집된 고순도 이산화탄소 기체는 그대로 두면 다시 대기 중으로 퍼지기 때문에 밀폐된 지하 공간으로 보내야 합니다. 기체 상태의 이산화탄소는 부피가 너무 크므로, 높은 압력을 가해 액체와 기체의 중간 성질을 띠는 초임계 유체로 만든 뒤 파이프라인이나 특수 수송선으로 이동시킵니다. 초임계 이산화탄소를 지하 80 m 이상의 깊은 지층으로 뿜어 넣으면 수심과 암석의 압력 때문에 이산화탄소는 팽창하지 않고 빽빽한 상태를 유지합니다. 시간이 흐름에 따라 이산화탄소는 지하수에 녹아들고 주변의 칼슘, 마그네슘 이온과 반응하여 탄산염 암석으로 단단하게 변해 영구히 갇히게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 탄소 포집 및 저장은 화력발전소나 제철소, 시멘트 공장처럼 이산화탄소를 많이 배출하는 시설에서 이산화탄소가 대기 중으로 배출되기 전에 포집한 뒤, 이를 안전하게 저장하거나 활용하는 기술을 말하는데요, 대기 중 온실가스 농도를 줄여 지구온난화를 완화하기 위한 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있습니다. 이 탄소 포집은 먼저 배출가스에서 이산화탄소만 선택적으로 분리하는 과정부터 시작되며, 가장 널리 사용되는 방법은 아민 계열 흡수제를 이용하는 방식입니다. 발전소 굴뚝에서 나온 배출가스를 흡수탑으로 보내면, 아민 용액이 이산화탄소와 화학적으로 결합하여 다른 기체인 질소나 산소와 분리하고, 이후 흡수제를 가열하면 이산화탄소만 다시 분리되어 고농도의 CO₂를 얻을 수 있고, 흡수제는 재사용됩니다. 최근에는 다공성 흡착제를 이용하는 기술도 활발히 연구되고 있는데요, 활성탄, 제올라이트, 금속-유기 골격체와 같은 물질은 내부에 매우 작은 구멍이 수없이 많아 이산화탄소 분자를 선택적으로 흡착할 수 있습니다. 이러한 방법은 에너지 소비를 줄일 가능성이 있어 차세대 탄소 포집 기술로 기대를 받고 있습니다.

포집된 이산화탄소는 부피를 줄이기 위해 높은 압력으로 압축한 뒤 파이프라인이나 선박을 이용해 저장 장소로 운반하며, 저장된 이산화탄소는 시간이 지나면서 여러 방식으로 더욱 안정화됩니다. 처음에는 암석층의 빈 공간에 갇혀 있다가, 일부는 지하 염수에 녹고, 장기적으로는 주변 암석과 화학반응을 일으켜 탄산염 광물로 변하기도 하는데요, 이렇게 되면 수천 년 이상 안정적으로 저장될 가능성이 높습니다. 최근에는 단순히 저장하는 것을 넘어 탄소 포집 및 활용 기술도 개발되고 있는데요, 포집한 이산화탄소를 화학 원료로 사용해 플라스틱, 합성연료, 메탄올 등을 생산하거나, 콘크리트 제조 과정에서 반응시켜 건축 자재의 일부로 활용하는 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 감사합니다.