KR101932508B1 - 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 및 제조 방법 - Google Patents

이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트 조성물 및 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 시멘트 제조 설비에서 배출되는 배출가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 포집 부산물을 생산하고, 이에 첨가제를 혼합하여 분말 형태로 건조시킨 다음 시멘트에 혼합하여 이산화탄소 저장 시멘트를 제조하도록 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 및 제조 방법에 관한 것이다.

Description

이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 및 제조 방법{CARBON DIOXIDE STORAGE CEMENT COMPOSITION USING CARBON DIOXIDE COLLECTING BY-PRODUCT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 시멘트 조성물 및 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 시멘트 제조 설비에서 배출되는 배출가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 포집 부산물을 생산하고, 이에 첨가제를 혼합하여 분말 형태로 건조시킨 다음 시멘트에 혼합하여 이산화탄소 저장 시멘트를 제조하도록 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 및 제조 방법에 관한 것이다.
한편, 산업의 발달과 함께 이산화탄소의 대기중 농도증가로 인한 지구온난화 문제가 대두되고 있는데, 대기중 이산화탄소 농도가 증가하는 원인 중 가장 큰 원인은 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, 액화천연가스 등의 화석연료의 사용이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 대기중에 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS) 등의 온실 가스농도가 증가하게 되었고 20세기 중반 이후 급속하게 증가하였다.
이러한 온실가스의 증가로 인한 지구 온난화 형상이 가속화되면서 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심이 점차로 높아지고 있으며, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 2010년 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감 방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다. 특히 지구온난화현상을 야기하는 온실가스 중 80%정도를 차지하는 이산화탄소의 분리는 더욱 중요한 문제로 대두되었다.
이산화탄소 배출량을 억제하기 위한 기술로는 배출감소를 위한 에너지 절약기술, 배출되는 이산화탄소의 분리회수기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생 에너지기술 등이 있다.
지금까지 연구된 이산화탄소 분리회수기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 현실성 있는 대안으로 제시되고 있다. 특히, 흡수법은 대용량의 가스처리가 용이하고, 저농도의 가스 분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 현재 상업 운전중에 있다.
또한, 배출가스의 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소를 제거하고, 흡수액과 배출가스를 반응시켜 부산물로 고가의 원료물질인 탄산칼슘(CaCO3)과 같은 이산화탄소 포집 부산물을 얻을 수 있는 기술이 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 대한민국 특허등록공보 제10-1322370호 등에서 개발되었다.
그러나, 이러한 이산화탄소 포집 부산물은 그 활용이 제한되어 다양한 분야에 적용이 요구되고 있는 실정이고, 이산화탄소 포집 부산물을 얻고, 활용하기 위해서는 별도의 탈수, 건조, 분말화 공정을 거쳐야만 하기 때문에 제조비용이 증대되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0120714호인 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법 및 장치가 공개되어 있다.
상기 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법 및 장치는 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 물에 포화시켜 수산화칼슘 수용액을 생성하는 단계와, 수산화칼슘 수용액에 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산화 반응을 일으켜 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하는 단계와, 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄산칼슘에 졸-겔법을 적용하여 시멘트를 생성하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 이러한 상기 이산화탄소를 이용한 시멘트 제조 방법 및 장치에 의해 제조된 시멘트는 상대적으로 압축 강도가 약한 문제점이 있다.
대한민국 특허등록공보 제10-1322370호 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0120714호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시멘트 제조 설비에서 배출되는 배출가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 포집 부산물을 생산하고, 이에 첨가제를 혼합하여 분말 형태로 건조시킨 다음 시멘트에 혼합하여 이산화탄소 저장 시멘트를 제조하도록 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 및 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
시멘트 제조 설비에서 배출되는 배출가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액이 저장된 반응탑으로 공급하여 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 포집 부산물을 생산하는 포집 공정과; 상기 반응탑에서 생산되어 침전된 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물과 첨가제를 마이크로 웨이브 건조기에서 투입하는 첨가제 투입 공정과; 상기 마이크로 웨이브 건조기에서 마이크로 웨이브를 이용하여 상기 첨가제가 투입된 이산화탄소 포집 부산물을 건조시켜 분말 형태로 배출하는 건조 공정; 및 건조된 이산화탄소 포집 부산물 5~15중량%와 포틀랜드 시멘트 85~95중량%를 혼합하여 이산화탄소 저장 시멘트를 제조하는 시멘트 제조 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 첨가제는 이산화탄소 포집 부산물 중량 대비 0.1~1.0중량%로 혼합된다.
여기에서 또한, 상기 첨가제는 시멘트 강도를 향상시키도록 강도 보강제인 분말 형태의 탄소나노튜브 1~5중량%와, 이산화탄소 포집 부산물의 분쇄 효율을 증대시켜 분말도를 향상시키도록 분쇄 조제인 액상의 폴리에틸렌글리콜(PEG) 95~99중량%를 혼합한다.
여기에서 또, 상기 탄소나노튜브는 순도 95% 이상, 평균 직경 20㎚, 길이 1~25㎚, 금속산화물 5% 이하, 부피 밀도 0.03~0.05g/㎤, 비표면적 150~250㎡/g이다.
여기에서 또, 상기 건조된 이산화탄소 포집 부산물은 분말도가 6,000㎡/g 이상이다.
여기에서 또, 상기 반응탑은 2개 이상으로 직렬 또는 병렬로 복수개가 설치되어 연속으로 반응이 이루어지도록 한다.
여기에서 또, 상기 마이크로 웨이브 건조기는 일측 상면에 투입구가 형성되고, 타측 상하부에 배기구 및 배출구가 구비되는 반원통형의 함체와; 상기 함체의 길이 방향으로 수평하게 설치되어 상기 투입구를 통해 투입되는 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물을 이동 및 분쇄시키는 스크류; 및 상기 함체의 외측면에 설치되고, 마이크로 웨이브를 발생시켜 상기 함체 내부로 조사하여 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물을 건조시키는 마이크로 웨이브 발생기로 이루어진다.
본 발명의 다른 특징은,
상기의 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 방법에 의해 제조된 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트를 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 및 제조 방법에 따르면, 시멘트 제조 설비에서 배출되는 배출가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 포집 부산물을 생산함으로써 1차적으로 배출가스에 포함된 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소를 포집하여 생산된 이산화탄소 포집 부산물을 시멘트에 혼합하여 이산화탄소 저장 시멘트를 제조함으로써 2차적으로 이산화탄소를 영구 저장할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 공법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 장치의 구성을 나타낸 개념도이다.
이하, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 공법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 공법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 장치의 구성을 나타낸 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 공법은 포집 공정(S10)과, 첨가제 투입 공정(S20)과, 건조 공정(S30) 및 시멘트 제조 공정(S40)으로 이루어진다.
《포집 공정-S10》
먼저, 시멘트 제조 설비에서 배출되는 배출가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액이 저장된 반응탑(10)으로 공급하여 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 포집 부산물을 생산한다. 이때, 반응탑(10)은 2개 이상으로 직렬 또는 병렬로 복수개가 설치되어 연속으로 반응이 이루어지도록 하고, 알칼리 혼화제는 수산화나트륨(NaOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 등이 사용된다. 또한, 반응탑(10)에는 배출가스를 미세공기방울을 형성하여 이산화탄소와 흡수액의 접촉을 원활하게 하도록 내부 하단에 설치되는 산기장치(11)와, 내부에 설치되어 흡수액을 교반시키는 수중 교반기(13) 등이 설치된다. 도면중 미설명 부호인 F는 송풍팬이고, P는 펌프이며, S는 굴뚝이다.
《첨가제 투입 공정-S20》
그리고, 반응탑(10)에서 생산되어 침전된 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물과 첨가제를 마이크로 웨이브 건조기(20)에서 투입한다.
첨가제는 이산화탄소 포집 부산물 중량 대비 0.1~1.0중량%로 혼합되는 데, 시멘트 강도를 향상시키도록 강도 보강제인 분말 형태의 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 1~5중량%와, 이산화탄소 포집 부산물의 분쇄 효율을 증대시켜 분말도를 향상시키도록 분쇄 조제인 액상의 폴리에틸렌글리콜(PEG) 95~99중량%를 혼합한 혼합물이다. 이때, 탄소나노튜브가 1중량% 미만으로 혼합되는 경우 압축 강도가 저하되는 단점이 있고, 5%중량%를 초과하여 혼합되는 경우 비용이 증대되는 단점이 있으며, 폴리에틸렌글리콜이 95중량% 미만으로 혼합되는 경우 분쇄 효율이 저하되어 분말도가 낮아지는 단점이 있고, 99%중량%를 초과하여 혼합되는 경우 강도가 상대적으로 낮아지는 단점이 있다.
또한, 탄소나노튜브는 순도 95% 이상, 평균 직경 20㎚, 길이 1~25㎚, 금속산화물 5% 이하, 부피 밀도 0.03~0.05g/㎤, 비표면적 150~250㎡/g인 특성을 가지는 것이 바람직하다.
계속해서, 마이크로 웨이브 건조기(20)는 일측 상면에 투입구(21a)가 형성되고, 타측 상하부에 배기구(21b) 및 배출구(21c)가 구비되는 반원통형의 함체(21)와, 함체(21)의 길이 방향으로 수평하게 설치되어 투입구(21a)를 통해 투입되는 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물을 이동 및 분쇄시키는 스크류(23) 및 함체(21)의 외측면에 설치되고, 마이크로 웨이브를 발생시켜 함체(21) 내부로 조사하여 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물을 건조시키는 복수의 마이크로 웨이브 발생기(25)로 이루어진다.
또한, 마이크로 웨이브 건조기(20)에는 구슬 형태의 유전 발열체가 내부에 함께 투입될 수도 있고, 내부로 고온의 공기를 유입하여 건조 시간을 단축시킬 수도 있다. 이때, 유전 발열체는 알루미늄 또는 지르코늄 또는 탄소가 단일 또는 혼합되어 규소와 결합시켜 제조된 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC), 지르코니아(ZrO2)로써 마이크로파를 조사하면 고온의 환경을 조성하는 고유전율 세라믹 물질이다.
《건조 공정-S30》
마이크로 웨이브 건조기(20)에서 마이크로 웨이브를 이용하여 첨가제가 투입된 이산화탄소 포집 부산물을 건조시켜 분말도가 6,000㎡/g 이상인 이산화탄소 포집 부산물을 배출한다. 이때, 분말도가 6,000㎡/g 미만인 경우 강도 발현이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
《시멘트 제조 공정-S40》
마지막으로, 건조된 이산화탄소 포집 부산물 5~15중량%와 포틀랜드 시멘트 85~95중량%를 혼합하여 이산화탄소 저장 시멘트를 제조한다. 이때, 이산화탄소 포집 부산물이 5중량% 미만으로 혼합되는 경우 압축 강도는 상대적으로 높아지나 이산화탄소 저감에 큰 기여를 하지 못하고, 15%중량%를 초과하여 혼합되는 경우 압축 강도가 저하되는 단점이 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예들을 통하여 본 발명의 특징을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
《실시예 1》
실시예 1의 첨가제의 조성비는 폴리에틸렌글리콜 99중량%, 탄소나노튜브 1중량%이다.
Figure 112018082088650-pat00001
《실시예 2》
실시예 2의 첨가제의 조성비는 폴리에틸렌글리콜 97중량%, 탄소나노튜브 3중량%이다.
Figure 112018082088650-pat00002
《실시예 3》
실시예 2의 첨가제의 조성비는 폴리에틸렌글리콜 95중량%, 탄소나노튜브 5중량%이다.
Figure 112018082088650-pat00003
실시예 1~3의 모든 조성비율에서 유동성이 180~200㎜를 나타내고 있고, 압축 강도가 7일 이전에는 낮게 발현되고 있으나, 이후 강도는 크게 증가하였다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 반응탑 20 : 마이크로 웨이브 건조기
21 : 함체 23 : 스크류
25 : 마이크로 웨이브 발생기

Claims (8)

  1. 시멘트 제조 설비에서 배출되는 배출가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액이 저장된 반응탑으로 공급하여 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 포집 부산물을 생산하는 포집 공정과;
    상기 반응탑에서 생산되어 침전된 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물과, 시멘트 강도를 향상시키도록 강도 보강제인 분말 형태의 탄소나노튜브 1~5중량%와, 이산화탄소 포집 부산물의 분쇄 효율을 증대시켜 분말도를 향상시키도록 분쇄 조제인 액상의 폴리에틸렌글리콜(PEG) 95~99중량%를 혼합한 첨가제를 이산화탄소 포집 부산물 중량 대비 0.1~1.0중량%로 마이크로 웨이브 건조기에서 투입하는 첨가제 투입 공정과;
    상기 마이크로 웨이브 건조기에서 마이크로 웨이브를 이용하여 상기 첨가제가 투입된 이산화탄소 포집 부산물을 건조시켜 분말 형태로 배출하는 건조 공정; 및
    건조된 이산화탄소 포집 부산물 5~15중량%와 포틀랜드 시멘트 85~95중량%를 혼합하여 이산화탄소 저장 시멘트를 제조하는 시멘트 제조 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는,
    순도 95% 이상, 평균 직경 20㎚, 길이 1~25㎚, 금속산화물 5% 이하, 부피 밀도 0.03~0.05g/㎤, 비표면적 150~250㎡/g인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조된 이산화탄소 포집 부산물은,
    분말도가 6,000㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응탑는,
    2개 이상으로 직렬 또는 병렬로 복수개가 설치되어 연속으로 반응이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 웨이브 건조기는,
    일측 상면에 투입구가 형성되고, 타측 상하부에 배기구 및 배출구가 구비되는 반원통형의 함체와;
    상기 함체의 길이 방향으로 수평하게 설치되어 상기 투입구를 통해 투입되는 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물을 이동 및 분쇄시키는 스크류; 및
    상기 함체의 외측면에 설치되고, 마이크로 웨이브를 발생시켜 상기 함체 내부로 조사하여 슬러지 형태의 이산화탄소 포집 부산물을 건조시키는 마이크로 웨이브 발생기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 방법.
  8. 제 1 항의 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트 조성물 제조 방법에 의해 제조된 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 이산화탄소 저장 시멘트.
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