산업이 가속화됨에 따라 범지구적 환경문제인 지구온난화에 대한 관심이 나날로 증가하고 있다. 온난화의 원인으로는 온실가스로 밝혀졌으며, 그 중 이산화탄소는 산업 활동에 의해 대량으로 배출되므로 온난화의 주범으로 꼽히고 있다. 광물탄산화 기술은 칼슘과 마그네슘 등의 금속산화물과 이산화탄소를 반응시켜 안정하게 저장하는 기술로 천연광물, 알칼리성 산업부산물 등이 주로 사용된다. 알칼리성 산업부산물 중의 하나인 제지슬러지소각재(Paper Sludge Ash, PSA)는 칼슘 함량이 25-70%로 높고, 입자크기가 10-100㎛로 미세하여 광물탄산화에 유리하다. 본 연구에서는 PSA의 칼슘을 구연산나트륨(Na3C6H5O7)으로 용출한 뒤 그 용출액에 이산화탄소를 저장하고자 하였다. 실험은 PSA의 성분을 분석한 후 칼슘 용출반응과 탄산화반응으로 나누어 실시하였고, 칼슘 용출반응은 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0, 1.5M의 용제농도와 1, 2, 5g/50mL의 고액비(Solid to Liquid ratio) 조건에서 진행되었다. 탄산화 반응은 용출반응에서 도출한 용제 농도 0.3M, 고액비 1g/50mL에서 1L의 용출액을 제조하여 이산화탄소 유량 0.1L/min으로 30분 동안 이루어졌고, 일정한 시간 간격으로 용액을 채취하여 칼슘농도 및 pH 변화를 관찰하였다. 이산화탄소를 주입하는 동안 pH가 초기 약 13.4에서 20분 이내에 9.38까지 서서히 감소하였다. 그리고 칼슘 농도가 초기 4283mg/L에서 10분 이내에 2713mg/L로 감소하면서 흰색 고체가 생성되었다. 그러나 탄산화반응 시간이 10분보다 길어지면서 생성된 고체가 모두 재 용해되어 회수할 수 없었다. 따라서 고체의 용해를 방지하기 위해 용액의 칼슘 농도가 증가하는 시점에서 이산화탄소 주입을 중지한 후 일정 시간 동안 방치하고, 생성된 고체를 회수하여 X-선 회절분석을 통해 확인하였다. 결과적으로 10분 동안 이산화탄소를 주입한 후 30분간 방치했을 때 약 7.33g의 고체를 회수하였고, 대부분의 고체는 calcite 형태의 탄산칼슘임을 확인하였다. PSA와 구연산나트륨을 이용하여 저장한 이산화탄소의 양은 약 161.3kg CO2/ton PSA이었다. 실험에 사용된 추출 용제인 구연산나트륨은 칼슘과 반응하여 다음과 같은 착물을 형성할 수 있다. 2Na3C6H5O7 + 3CaO + 3H2O → Ca3(C6H5O7)2 + 6NaOH 위 반응식에 따라 PSA로부터 효과적으로 칼슘이 용출될 뿐만 아니라 용출액의 pH가 높아 추가적인 알칼리물질 주입이 없더라도 탄산화 반응에 매우 유리하다.

해수에는 나트륨, 마그네슘, 칼슘을 비롯한 다양한 종류의 무기물이 용해되어 있다. 마그네슘은 낮은 밀도와 강한 경도의 장점으로 인해 최근 그 활용도가 크게 증가되고 있다. 자동차 산업과 컴퓨터, 핸드폰 등 많은 전자기기에 마그네슘이 활용되고 있으며, 알루미늄 합금은 항공기 부품으로 사용되기도 한다. 선행 연구에서는 염을 다량 포함하고 있는 간수(bittern)와 염수(brine)에서 마그네슘을 회수하기 위하여 수산화나트륨 등 알칼리 물질을 주입하여 용존 마그네슘을 수산화마그네슘[Mg(OH)2]으로 침전시키는 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 해수에 용존되어있는 마그네슘(1477 ppm)을 회수하기 위하여 알칼리 산업부산물인 제지슬러지소각재(Paper Sludge Ash, PSA)를 사용하였다. 해수에 포함되어있는 용존 마그네슘을 침전시키기 위해 해수 200 mL에 PSA 4 g을 주입하였다. 수산화마그네슘 침전반응이 완료된 후, 여과하여 고체(PSA와 침전된 수산화마그네슘)와 여과액을 분리하였다. 여과액의 마그네슘과 칼슘 농도는 각각 0.19, 2623 ppm이었고, pH는 12.32이었다. PSA에 의해 해수의 마그네슘은 모두 침전하였으나, PSA로부터 용해된 칼슘의 영향으로 여과액의 칼슘농도는 5배 이상 증가하였다. 고체를 105℃에서 12 시간 동안 건조한 다음, 고체로부터 마그네슘만을 선택적으로 용출하기 위해 건조한 고체에 2 M 황산 40 mL를 넣고 30 분 동안 교반하였다. 여과에 의해 PSA를 제거한 다음, 여과액의 마그네슘과 칼슘 농도를 측정하였다. 침전과 용출반응을 통해 해수의 마그네슘은 90 % 이상 회수되었고, 여과액의 칼슘농도는 6.57 ppm으로 매우 낮았다. 칼슘이 황산과 반응하여 황산칼슘(CaSO4)으로 침전하였기 때문에 칼슘농도가 감소한 것이다.

산업화가 가속화되면서 지구온난화는 환경을 위협하는 큰 문제로 대두되고 있다. 특히 지구온난화에 50% 이상 기여하는 물질인 이산화탄소는 그 농도가 산업혁명 이후 급격히 증가해왔으며, 이 문제를 해결하기 위해 전세계적으로 이산화탄소 저장기술(Carbon Capture and Storage, CCS)을 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. CCS 중 하나인 광물탄산화는 이산화탄소를 칼슘, 마그네슘 등과 반응시켜 불용성 탄산염으로 고정하는 기술이며, 원료로 칼슘이나 마그네슘을 다량 함유한 천연광물 또는 산업부산물이 사용될 수 있다. 제지슬러지소각재(Paper Sludge Ash, PSA)는 제지공정에서 생성되는 산업부산물로 칼슘을 다량 함유하고 있어 광물탄산화에 적합한 재료이다. 본 연구에서는 PSA를 암모늄염(ammonium chloride, ammonium acetate)과 반응시켜 칼슘을 선택적으로 용출한 후 탄산화하는 과정에서 암모니아수를 추가했을 때 탄산화 효율이 어떻게 변하는지를 알아보았다. 용제로 암모늄염 용액(0.3M, 1L)을 사용하여 PSA(20g)로부터 칼슘을 용출시킨 용출액 A와 용출액 A에 암모니아수(1.76mL)를 추가한 용출액 B를 각각 준비한 다음, 대기압 하에서 각 용출액에 이산화탄소(0.1L/min)를 30분 동안 주입하여 탄산화반응을 진행하였다. 용출액 A를 이용한 탄산화반응 결과 6.81g의 탄산칼슘을 회수하였고, 생성된 고체를 기준으로 산출한 이산화탄소 저장량은 149.8kg CO2/ton PSA이었다. 암모니아수를 추가한 용출액 B를 이용한 탄산화반응에서는 반응종료 후 용액 중 칼슘농도가 용출액 A 경우의 절반 정도이었다. 용출액 B로부터 7.69g의 탄산칼슘을 회수하였고, 이 결과는 이산화탄소를 169.2kg CO2/ton PSA 저장하였음을 의미한다. 칼슘 용출액 A에 암모니아수를 추가하면 완충작용이 지속되면서 높은 pH가 유지되기 때문에 용출액 B에서 탄산화 효율이 더 높아졌다. 또한 용출액 B에서처럼 암모니아수를 추가하면 한번 사용한 암모늄염 용제를 간접탄산화에 재사용할 때 칼슘 용출효율을 높이는데 기여하리라고 예상한다.