이산화탄소(CO₂)를 많이 배출하는 대표적인 산업인 시멘트 생산에 전기화학 공정을 도입하고 폐시멘트를 원료로 재활용해 열에너지 투입을 70% 줄이고 이산화탄소 배출량을 98% 줄일 수 있는 기술이 개발됐다.

캐나다 브리티시컬럼비아대 커티스 벌링게트 교수팀은 14일 미국화학회 저널 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에서 전기를 이용해 시멘트 전구체를 만드는 공정을 개발, 기존 시멘트 생산 대비 열에너지 수요를 70%, CO₂ 배출량을 최대 98% 줄였다고 밝혔다.

벌링게트 교수는 "시멘트 생산 과정의 온실가스 배출 문제를 근본 원인에서 해결하고자 했다"며 "이 연구는 폐시멘트를 원료로 사용할 경우 시멘트 산업의 막대한 탄소 발자국을 최대 98% 줄일 수 있는 전기 기반 생산 경로를 제시한다"고 말했다.

시멘트는 물과 섞이면 모래·자갈과 강하게 결합하기 때문에 내구성 있는 건설 재료인 콘크리트에 필수적인 성분이며 시멘트 산업은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 8%를 차지한다.

현재 가장 널리 쓰이는 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)는 석회석(CaCO₃)과 실리카(SiO₂) 함유 광물을 두 단계에 걸쳐 1천450℃ 이상으로 가열해 제조하기 때문에 석회석이 분해되는 과정에서 다량의 이산화탄소가 배출된다.

연구팀은 이 연구에서 초대형 구조물 건설에 중요한 역할을 하는 성분인 벨라이트(belite·이칼슘 규산염)가 풍부한 시멘트를 기존 공정보다 훨씬 낮은 온도에서 생산하는 전기화학 공정을 개발했다.

석회석을 900℃에서 분해한 뒤 1천200℃에서 실리카와 반응시키는 기존 벨라이트 생산 공정 대신, 석회석과 실리카를 전기화학 반응기로 처리해 전구체인 칼슘 규산염 수화물(CSH)을 만든 뒤 이를 650℃에서 벨라이트로 전환하는 방식이다.

연구팀은 전기분해 장치에서 생성된 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)으로 각각 석회석과 실리카를 이온 형태로 녹여낸 뒤, 이를 결합시켜 다공성 구조의 칼슘 규산염 수화물(eCSH)을 합성했다.

실험 결과 전해질 온도를 60℃로 유지했을 때 eCSH 생성 수율이 90%까지 올라갔고, eCSH를 가열할 때 650℃에서 생성된 벨라이트 함량이 90%에 도달했다.

에너지 분석 결과 기존 포틀랜드 시멘트 생산은 톤(t)당 3.3기가줄(GJ)의 열에너지와 0.4GJ의 전력이 필요했으나 새 공정은 전기분해에 4.4GJ의 전력과 1.0GJ의 열에너지가 필요해 전체 열에너지 요구량이 약 70% 감소했다.

또 석회석 대신 폐시멘트를 원료로 사용한 실험에서는 이산화탄소 배출량이 시멘트 t당 20㎏ 수준으로, 기존 포틀랜드 시멘트 생산 공정의 t당 800㎏ 대비 98% 적은 것으로 나타났다.

벌링케트 교수는 "전기화학 공정으로 만든 반응성 높은 시멘트 전구체를 활용하면 시멘트 생산 온도를 크게 낮출 수 있다"며 "특히 폐시멘트를 활용하면 현재까지 보고된 시멘트 생산 공정 가운데 생산 단계 탄소배출이 가장 낮은 수준의 공정이 가능할 것"이라고 말했다.

◆ 출처 : ACS Energy Letters, Curtis Berlinguette et al., 'Electrochemical Synthesis of Calcium Silicate Hydrate for Low Carbon Cement', http://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.5c04150