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SCOPUS 학술저널

산성용액에서 이산화탄소의 압력이 광물탄산화에 미치는 영향

Effect of Carbon Dioxide Pressure on Mineral Carbonation in Acidic Solutions

DOI : 10.9719/EEG.2020.53.1.1
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이산화탄소 고정화 및 탄산화 반응에는 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)과 같은 알칼리토류 금속을 함유하고 있는 사문석(serpentine, Mg3Si2O5(OH)4) 규회석(wollastonite, CaSiO3), 감람석(olivine, Mg2SiO4)과 같은 칼슘/마그네슘 실리케이트 광물(Ca/Mg-silicate mineral)들이 주로 이용되어 왔다. 특히 사문석은 탄산화가 가능한 자연물질 중 자연계 내에 풍부한 매장량을 갖고 있으며, 우수한 반응성 때문에 광물탄산화에 가장 적절한 출발물질로 인식되어 있다. 따라서 본 연구는 사문석을 출발물질로 사용하여 산성 용액 내에서 이산화탄소의 압력이 탄산화 효율에 미치는 영향력을 확인하고자 하였다. 탄산화 실험 조건은 황산용액 0.3~1 M, 반응온도 100 oC 및 150 oC 그리고 이산화탄소의 부분압력 0~3 MPa이며, 탄산화법은 수정된 직접탄산화법(modified direct method)으로 실시하였다. 또한 탄산화 효율을 높이고자 liquid pump로 NaOH용액을 주입하여 pH를 13으로 조절하였다. 탄산화율은 황산의 농도 및 반응온도에 비례하여 증가하였으며, 3 MPa의 이화탄소를 주입한 조건에서의 탄산화율이 이산화탄소를 첨가하지 않은 조건의 탄산화율보다 높았다. 반응결과 황산용액1 M과 이산화탄소 부분압 3 MPa, 반응온도 150 oC에서 용출 및 탄산화 실험 후 약 85%의 상당히 높은 탄산화율이 분석되었다. 따라서 산성용액에서 이산화탄소의 압력이 사문석 내의 Mg 용출에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. Mg의 용해속도는 Si의 용해속도보다 높아 반응 후 사문석의 Mg : Si의 비가 약 1.5에서 0.1미만으로 급속하게 감소하여, 사문석의 구조 내에 불완전한 Si 사면체 층 골격구조(Mg-depleted skeletal phase)가 분석되었다.

Magnesium silicate minerals such as serpentine [Mg3Si2O5(OH)4] have a high potential for the sequestration of CO₂; thus, their reactivity toward dissolution under CO₂-free and CO₂-containing conditions in acidic solvents is a critical process with respect to their carbonation reactions. To examine the carbonation efficiency and dissolution mechanism of serpentine, hydrothermal treatment was performed to the starting material via a modified direct aqueous carbonation process at 100 and 150 oC. The serpentine dissolution experiments were conducted in H2SO4 solution with concentration range of 0.3–1 M and at a CO₂ partial pressure of 3 MPa. The initial pH of the solution was adjusted to 13 for the carbonation process. Under CO₂-free and CO₂-containing conditions, the carbonation efficiency increased in proportion to the concentration of H2SO4 and the reaction temperature. The leaching rate under CO₂-containing conditions was higher than that under CO₂-free conditions. This suggests that shows the presence of CO₂ affects the carbonation reaction. The leaching and carbonation efficiencies at 150 oC in 1 M H2SO4 solution under CO₂-containing conditions were 85 and 84%, respec-tively. The dissolution rate of Mg was higher than that of Si, such that the Mg : Si ratio of the reacted serpentine decreased from the inner part (approximately 1.5) to the outer part (less than 0.1). The resultant silica-rich layer of the reaction product ultimately changed through the Mg-depleted skeletal phase and the pseudo-serpentine phase to the amorphous silica phase. A passivating silica layer was not observed on the outer surface of the reacted serpentine.

1. Introduction

2. Materials and Methods

3. Results and Discussion

4. Conclusion

Acknowledgements

References

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