This study deals with inorganic Carbon dioxide Capture Utilization (CCU) by using seawater-based industrial wastewater. Industrial wastewater, which contains plenty of cations such as Ca2+ and Mg2+, is considered as a cation source for mineral carbonation. Modeled industrial wastewater was used to study the tendency of mineral carbonation on various condition. Cation concentration of industrial wastewater was modified at various levels and then reacted with fully CO2- absorbed 30wt.% monoethanolamine (MEA) solution. A metal carbonate precipitated as a result of the reaction, and the same experiment was performed with 1/3, 2/3 CO2-absorbed MEA solution to study the tendency of carbonation under different CO3 2− conditions. The amount of precipitate was increased proportionally to the cation concentration and the amount of absorbed CO2. Most of the precipitate was calcium carbonate (CaCO3), although other metal carbonates were also formed. Most of the CaCO3 was found in calcite form, but vaterite and aragonite were also formed under specific conditions. Based on the experimental results, we conclude that by controlling the concentration of cations and CO3 2−, we were able to optimize mineral carbonation conditions. We also noticed that low CO3 2− concentration in MEA solutions is advantageous for producing high quality calcium carbonate crystals. Inductively Coupled Plasma (ICP), X-ray Diffraction (XRD), and Scanning Electron Microscopy (SEM) analyses were performed to analyze the precipitate.

In this research, carbon dioxide is captured and chemically converted to high purity calcium carbonate salt which can be used for various industrial fields. Aqueous indirect inorganic carbonation methods were applied throughout the research and seawater-based industrial wastewater was utilized for metal ion supply. For CO2 capture, representative alkanolamine absorbent solutions in 30 wt% concentration were used, that is, monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), and methyldiethanolamine (MDEA). For high purity metal ion separation, calcium ion contained in the seawater-based industrial waster was separated in the form of gypsum followed by the carbonation reaction to form high purity calcium carbonate salt. Consiering the final products and their economic cost, the cycle using MEA will be proper. However, if MDEA can be used, the amount of carbon dioxide capture capacity per cycle would be great. Also, conceptual continuous cycle which produces calcium carbonate and magnesium carbonate was suggested. This research may help the nations such as European nations or east asian countries like Korea and Japan where no adequate CO2 storages exist and crust activities are in progress, if commercialized.

산업혁명 이후로 계속해서 문제가 되어왔던 이산화탄소를 저감하기 위한 노력이 전세계적으로 이루어지고 있다. 다양한 이산화탄소 저감 기술 중 이산화탄소를 안정적이고 대량으로 고정 및 재이용할 수 있는 기술 중 하나로 무기탄산화 기술이 있는데 이는 금속이온과 이산화탄소를 반응시켜 무기탄산염을 생성하는 기술이다. 따라서 금속이온 공급원 선택이 핵심 요소 중 하나인데 일반적으로 Mg2+, Ca2+, K+, Na+ 등을 포함한 다량의 금속 이온을 포함하고 있는 해수를 기반으로 한 폐기물의 사용에 대하여 고려하였다. 정제소금 생산 공정에서는 위에 언급된 해수를 사용하여 소금을 생산한다. 이러한 과정에서 Na+가 제거되면서 Mg2+ 및 Ca2+가 농축된다. 따라서 기존의 해수보다 높은 농도의 금속 이온을 가지고 있기 때문에 사용하기에 적합하며 폐수처리라는 장점 또한 가지고 있다. 먼저 해수 내의 Ca이온을 OH-이온을 사용한 pH조절을 통하여 Ca(OH)2로 분리한 후 CO2 포화 아민계 흡수제(Methyldiethanolamine, MDEA)를 사용하여 이산화탄소를 전달한다. 생성물을 여과한 후 고온에서 24시간 건조시킨 후에 XRD, SEM, TGA를 사용하여 결정구조, 모양 및 순도분석을 실시하였다. 또한 포화 아민계 흡수제 제조 과정에서 재이용 가능성을 확인하기 위하여 탈거 및 재흡수실험을 진행하였다.

폐시멘트, 폐콘크리트, 제강 슬래그, 폐수 등을 포함하여 다양한 폐기물들이 여러 산업으로부터 배출되고 있다. 그런데 이러한 폐기물들은 Mg2+ 이온, Ca2+ 이온을 다량 포함하고 있다고 알려져 있다. 폐기물 처리 시 이러한 금속 이온을 활용한다면 MgCO3, CaCO3 등 다른 유용한 물질로 전환시킬 수 있다. 이를 위해 지구온난화를 일으키는 주요 원인으로 알려진 이산화탄소를 사용할 수 있고, 이는 이산화탄소 저감 및 폐기물 처리를 동시에 해결할 수 있을 것으로 보인다. 본 연구에서는 CO2의 용이한 전달을 돕기 위한 습식 흡수제에 대해 제안하고 Henry constant, Diffusivity, 총괄반응속도상수(kov)를 측정하였다. 흡수제는 7 wt% 암모니아, 3 wt% ʟ-Arginine, 1 wt% 부식방지제(Imidazole과 1,2,3-Benzotriazole)를 물에 녹여 제조하였다. 암모니아는 기존에 습식흡수제로 사용되던 MEA보다 저렴한 가격을 가지고 있으며 CO2 흡수 능력 또한 우수하다고 알려져 있다. 최근 아미노산은 우수한 CO2 흡수능력과 친환경적인 특성으로 많은 연구가 진행되고 있으며 두 종류의 부식방지제는 암모니아에 의해 발생할 수 있는 플랜트 장비의 부식을 방지하기 위해 첨가되었다. 303.15 K에서 333.15 K의 온도에서 실험이 진행되었으며 실험 결과와 CO2/N2O analogy를 이용해 각 값을 계산하였다.

To prevent climate change which is thought to be caused by the carbon dioxide emitted from industrial facilities by human activities, the efforts to reduce the concentrations of carbon dioxide in the atmosphere have been widely made. One of the method is to capture carbon dioxide by liquid absorbent. In this method, flue gas containing carbon dioxide is introduced to the absorber where the absorbent captures carbon dioxide selectively. After capturing, carbon dioxide is separated by heat at desorber and separated CO2 is transprted to storage site such as deep ocean or underground. However, stored CO2 is not permanently stable and these can be problematic that can cause ecosystem destruction due to low pH of the gas. By applying metal cation supplying unit after the capture process, carbon dioxide can be converted to metal carbonate salt in solid phase which can be stored stably or can be utilized or reused for industrial application. In this research, the mechanisms of carbon dioxide conversion were suggested and basic properties and conditions of the system were introduced.

In order to cope with some drawbacks of conventional CCS (Carbon Capture and Storage) technologies, the new way to deal carbon dioxide have been studied a lot. One way to deal emitted carbon dioxide is to convert carbon dioxide into metal carbonate salt which can be used for various purposes such as raw materials for construction, additives for paper-making industries and so on. In this method, securing the source for metal cation is important and in this research, concentrated industrial wastewater was used to supply metal cation. In the wastewater, calcium and magnesium ions were dissolved and this could make cpatured carbon dioxide to be converted to metal carbonate salts. As a result of the chemical conversion, the amount of carbon dioxide converted to the precipitated salts and the crystal structures of them were suggested. To verify the crystal structures and the composition of salt mixtures, Scanning Electron Microscope and X-Ray Diffraction analysis were utilized.

범지구적으로 다양한 문제를 야기하는 지구온난화 현상은 해결해야하는 필수 과제 중 하나로 여겨져 왔다. 이 중에서 이산화탄소는 낮은 지구온난화 지수에도 불구하고 가장 많은 양으로 인해 지구온난화 현상에 대해 가장 큰 책임을 가지고 있다. 이산화탄소 저감을 위한 기술로 금속 이온과 이산화탄소의 결합을 통한 무기탄산화 기술이 최근 떠오르고 있다. 무기탄산화 기술의 가장 큰 가능성 중 하나는 다양한 금속이온을 가지고 있는 폐기물을 원료로 이용할 수 있다는 점이다. 본 연구에서는 이러한 폐기물 중 다량의 Ca를 가지고 있는 것으로 알려진 비산재를 이용하여 무기탄산화, 그 중에서도 수용액 내에 이산화탄소를 주입하여 반응시키는 직접수성 탄산화를 통한 탄산칼슘 생성에 대해 다루었다. 다량의 불순물을 포함하고 있는 비산재를 보다 순수한 형태로 이용하기 위하여 고온 (70℃)의 물로 세정하여 이용하였다. 총 500 g의 흡수제 중 세정한 비산재가 10 wt% (50g) 포함되었고, 5 wt% (25 g)의 NaOH 첨가 유무에 따른 CO2 저감량의 차이를 CO2 로딩 분석을 통해 비교하였다. 생성물에 대하여 XRD 그리고 TGA 분석을 통해 구성성분 및 순도 분석을 진행하였다.

2015년 체결된 파리협정을 포함하여 이산화탄소 저감을 위한 움직임이 더욱 활발해 지고 있는 실정이다. 6대 온실가스 중 하나인 이산화탄소는 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치고 있는 것으로 알려져 있으며, 현재 대한 민국은 2030년 BAU 대비 37% 저감을 목표치로 설정하였기 때문에 효율적인 이산화탄소 기술의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 담수화산업으로부터 나온 폐해수의 재활용 가능성을 알아보기 위하여 산업적으로 생성된 해수 샘플을 이용한 무기탄산화를 진행하였다. 해수는 일반적으로 Ca2+, Mg2+, Na+ 등을 포함해 다양한 금속이온을 가지고 있다고 알려져 있으며 사실상 무한한 자원으로 간주되기 때문에 이를 이용할 수 있다면 일석이조의 효과를 얻을 수 있을 것으로 보이기 때문에 연구를 진행하였다. 생선된 탄산칼슘의 순도를 높이기 위해 탄산화를 진행하기 이전에 NaOH를 첨가하여 Mg 이온을 Mg(OH)2의 형태로 분리하였다. 남아있는 상등액은 탄산염 형태로 침전될 수 있는 이온 중 Ca 만을 가지고 있기 때문에 CO2가 포화된 MEA를 통하여 CO32- 이온을 공급하여 고순도 CaCO3를 얻고자 하였다. 실제로 전환되는 CO2의 양을 산정하기 위하여 MEA의 CO2 로딩 분석을 진행하였으며 x-ray diffraction (XRD)와 thermogravimetric analysis (TGA) 분석을 통해 생성물의 구성 성분 및 순도를 알아보았다.

전 세계 각지에서 효율적인 이산화탄소 저감 기술 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 가장 상용화 가능성이 높다고 알려진 carbon capture and storage (CCS) 기술은 대한민국과 같이 적절한 저장소를 찾기가 어려운 국가에서는 상용화되기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서 최근 이러한 조건을 가진 국가에서는 CCS 기술을 대체하기 위하여 carbon capture and utilization (CCU) 기술의 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 흔히 알려진 폐기물인 레미콘회수수를 이용하여 CCU 기술 중 하나인 무기탄산화에 대해 다루었다. 무기탄산화란 금속 이온과 CO2를 반응시켜 금속 탄산염을 얻는 기술이다. 레미콘회수수는 다량의 Ca2+를 포함한 것으로 알려져 있어 이를 금속 이온 공급원으로 사용하여 고순도 탄산칼슘을 얻고자 하였다. 또한 이러한 탄산화 과정에서 암모늄염 첨가제의 영향을 알아보기 위하여 NH4SCN, NH4NO3, NH4Cl 세 가지 암모늄염을 선정하여 실험을 진행하였다. 탄산화 실험에서 여과한 레미콘회수수 상등액을 용매로 사용하여 30 wt% MEA, 3 wt% 암모늄염을 첨가한 용액 400 g과, 레미콘회수수 고체 100 g을 더하여 총 500 g의 흡수제를 만들어 사용하였다. 실험과정에서 CO2 흡수량을 알아보기 위하여 CO2 로딩 분석 및 그래프 도시를 진행하였고, 실험 결과 생성된 결과물을 x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) 그리고 thermogravimetric analysis (TGA) 분석을 통해 생성물의 구성 성분 및 순도를 알아보고자 하였다.

This research deals with carbon dioxide utilization using amino acid salt solution. Energy-efficient CCU (carbon capture and utilization) technology in which no thermal desorption step is required was suggested. Waste concrete was considerd as Ca2+ source. (1.5 M potassium glycinate + 0.15 M piperazine) was used. After solution is saturated with carbon dioxide, 25wt% 100 ml of calcium chloride solution to replace Ca2+ from waste concrete in experiment was added. And then, precipitated calcium carbonate (PCC) was formed. As a result of absorption experiments of (1.5 M potassium glycinate + 0.15 M piperazine), CO2 loading value for the first absorption and reabsorption step was 0.7354 and 0.2848 mol CO2/ mol absorbent, respectively. Also, the yield of PCC formation of (1.5 M potassium glycinate + 0.15 M piperazine) was 43.63%. Based on these data, the amount of CO2 reduction was calculated. Calcium carbonate can be classified into calcite, vaterite, and aragonite according to their crystal structures and morphology. XRD and SEM analysis were performed and the result showed that the morphology of produced PCC salt was vaterite.