50 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

1. 서 론1)\

근년 대기 중 이산화탄소(CO2)의 농도 증가에

의한 잦은 태풍과 대규모 홍수, 폭염, 한파 등의

이상기후 현상과 재앙적 사고, 그리고 인구 증가

에 따른 에너지 소비 증가 등은 지구 온도 상승과

관련하여 심각한 우려를 낳고 있다.

세계 에너지 수요의 증가와 석탄, 석유, 천연가

스 등 화석연료의 연소로 인하여 CO2 배출량은 매

년 2.1%씩 증가하고 있다. 산업혁명 이전의 대기

중 CO2 농도는 280 ppm이었지만[1], 미 해양대기

청(NOAA)이 운영하는 마우나로아(Mauna Loa) 관

측소에서 2013년 5월 25일과 26일 측정된 대기 중

CO₂농도는 399.7 ppm이었다. 한국도 이미 2012년

연평균 401.2 ppm을 기록한 것으로 알려졌다[2].

이산화탄소가 현재 속도로 증가한다면, 다음 세

기에 450~600 ppm까지 올라갈 것이며, 해수면은

지구 온도의 급격한 증가와 함께 0.4~1.0 m 상승

저자 (E-mail: kimkho@kisti.re.kr)

할 것으로 예측된다[3]. 과학적 모델의 예측에 의

하면 지구의 평균 온도는 2100년경 1.5~5 ℃ 증가할 것이라고 한다[1].

이산화탄소(CO2)는 대표적 온실가스로 지구 전

체 온실가스의 70% 이상을 차지하고 있기 때문에

CO2 감축이 온실가스 감축의 실질적인 핵심이 되

고 있다. 화석연료를 다량 사용하는 화력발전소,

제철소, 석유화학공장, 시멘트 공장 등이 CO2의

대량배출원이 되며, 이들이 전체 CO2 배출량의

50~60%를 차지하며, 이 중에서도 발전분야가 약

70%를 차지한다. 세계 에너지 소비는 2006년~

2030년 사이에 52% 증가할 것으로 예상된다[1].

현재 인류가 직면하고 있는 가장 큰 문제 중의

하나인 온실가스 배출에 의한 기후변화에 대응하

기 위해, 1992년 리우데자네이루 유엔 기후변화협

약(the United Nations Framework Convention on

Climate Change, UNFCCC), 1997년 교토의정서

(Kyoto protocol), 유엔기후변화회의[유엔기후변

화협약 당사국 총회, COP (Conference of the

Parties to the UNFCCC)]를 통해 온실가스 감축을

이산화탄소의 산업자원 이용

김 경 호†⋅소 대 섭

한국과학기술정보연구원 산업정보분석실

Utilization of Carbon Dioxide as an Industrial Resource

Kyung-Ho Kim† and Dae-Sup SoDepartment of Industry and Market Analysis, Korea Institute of Science and Technology Information

Abstract: 이산화탄소(CO2)는 대표적 온실가스로 지구 전체 온실가스의 70% 이상을 차지하고 있기 때문에 CO2 감축

이 온실가스 감축의 실질적인 핵심이 되고 있다. 현재 대기 중 이산화탄소의 농도를 줄이기 위해 산업 및 발전소 부문

에서 대량 배출되는 CO2를 분리, 포집, 압축, 수송하여 지중 또는 해저 지층에 안전하게 저장하는 방법인 CCS 기술이

활발히 연구되고 있다. 이 방법은 대량의 CO2 처분이 가능하나 에너지 및 경제적 비용이 매우 높다. 따라서 이 CCS

기술과 병행해 포집된 CO2의 일부를 유용자원으로서 리사이클하면 CO2 배출을 줄이고 또 화석연료의 사용량도 줄일

수 있다. 아울러 부수적인 경제적인 이익도 얻을 수 있다. 본고에서는 CO2를 산업적 활용 측면에서 화학제품, 바이오

연료, 광물 탄산염 등 유용 자원의 생산에 적극적으로 이용하는 방법에 대해 서술한다.

Keywords: Carbon dioxide, Utilization, Chemical feedstock, Biofuel, Mineral Carbonate

총설

이산화탄소의 산업자원 이용

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 51

위한 국제적인 노력이 경주되고 있다. 현재 CO2

배출 주요국들은 대체로 2020년까지 2005년 대비

20~30%의 CO2를 감축하는 계획을 세우고 있다.

IEA (국제에너지기구)는 “에너지기술전망보고서

(Energy Technology Perspectives 2008)”를 통해

2050년까지 기후변화를 2 ℃ 이내로 완화시키기

위해 CO2 배출 감축 기술로 에너지효율향상 기술,

재생에너지, 원자력, CCS 기술 등을 적극 활용할

것을 제시하고 있다[4].

이 중 CCS 기술(Carbon Capture and Storage,

CO2 포집⋅저장 기술)은 산업 및 발전소 부문에

서 대량 배출되는 CO2를 분리, 포집, 압축(포집된

CO2를 초임계 또는 액체상태로 압축), 수송(파이

프라인 및 수송선 이용)하여 지중 또는 해저의 지

층(고갈된 가스전 및 유전, 미채굴 석탄층, 심부

대염수층 등)에 대규모로 안전하게 저장시켜 장기

간 격리시키는 기술이다. 이 방법은 대량의 CO2

처분이 가능하나 에너지 및 경제적 비용이 매우

높다. 한편 포집된 CO2를 저장 처분하는 대신 산

업에 이용하면 탄소를 유용자원으로 리사이클시

킴으로써 CO2 방출을 피하고 또 화석연료의 추출

과 사용을 줄일 수 있다. 다시 말해 CO2의 이용은

폐기물 CO2를 경제적 가치가 있는 자원으로 이용

하는 것이며 환경적 관점에서도 이득을 준다.

본고에서는 CO2를 산업적 활용 측면에서 화학

제품, 바이오연료, 광물 탄산염 등 유용 자원의 생

산에 적극적으로 이용하는 방법에 대해 서술하기

로 한다.

2. 이산화탄소(CO2)의 이용 개요

오늘날 이산화탄소(CO2) 배출 제어에 대한 필

요성은 과학계 및 산업계 모두의 주된 관심이 되

고 있다. 현재 CO2 감축기술로서 세계적으로 각광

받고 있는 CCS 기술은 에너지 및 기후정책적 관

점에서 원칙적으로 대량의 CO2를 제거하는데 사

용될 수 있지만, 이 기술의 실현에는 상당한 문제

점도 있다. 즉 고 투자비용, 유해한 포집제의 대기

방출 가능성, 잠재적 저장능력의 한계와 불확실성,

CO2 지층 저장의 안전성(누출 가능성)에 대한 대

중적 저항이라는 문제에 직면하고 있으며, 또한

처리 및 유지에 있어서 상당한 에너지를 필요로

한다[5]. 궁극적으로 이 기술의 실행은 탄소기반의

화석연료의 추출을 확대하는 결과를 낳는다. 이 때

문에 최근 CCS의 부분적인 대안으로 이산화탄소

의 포집⋅활용기술(Carbon Capture and Utilization,

CCU)이 제안되고 있다.

CCU 기술은 CO2의 지층 저장 능력에 대한 부

담을 줄일 뿐 아니라, 포집된 CO2를 오일회수 증

진(CO2 EOR)에 이용하거나 화학적⋅생물학적 변

환공정을 통해 연료, 화학산업 원료, 건축재료로도

활용할 수 있어 CO2를 부가가치화 할 수 있다.

CO2의 산업적 이용의 직접적 효과로는 CO2 배출

저감과 화석연료 추출량 저감이며, 간접적 효과는

기후변화지수(climate change power, CCP)가 CO2

의 수천 배인 CFC와 같은 화학물질의 대체이다.

이러한 CO2의 이용이 대기 중 CO2 축적의 문제를

해결하는 것은 아니지만, 생성되는 CO2의 양을 줄

임으로써 어느 정도 문제 해결에 기여할 수 있다.

Table 1은 이러한 목적을 달성하기 위한 여러 가

지 방법들을 요약한 것이다. 그러나 어느 기술도

단독으로는 현재의 대기 중 CO2 농도를 안정화하

기에 충분한 해결책이라고 볼 수는 없다. 가장 효

과적인 CO2 배출 저감을 달성하기 위하여서는 가

장 저렴한 사회적, 경제적 비용을 지불하면서 탄

소 리사이클링과 CO2 배출 저감의 잠재력이 있는

기술들을 병용할 방안을 찾아야 한다.

현재 가장 많이 연구되고 있는 CCU 기술에는,

오일회수증진법(CO2 EOR), CO2의 화학적 변환

※출처 : KISTI MARKET REPORT, 1(2), 16-19 (2011).

Figure 1. 2050년 기술별 CO2 감축 기여율[4].

총 설

52 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

(chemical conversion)에 의한 화학원료 합성, CO2

의 조류(microalgae) 재배 이용에 의한 바이오 연

료 생산, CO2를 이용한 광물의 탄산염화(mineral

carbonation) 등이 있다. 이미 실용화되고 있는

EOR법을 제외하면 대부분의 CO2 이용 방법은 현

재 R&D 단계에 있다. 이들 기술이 CCS와 병행해

시행되면 산업설비 또는 발전소에서 포집된 이산

화탄소를 부가가치적으로 응용할 수 있는 잠재력

을 제공할 수 있다. 이 다양한 CO2 이용 기술을 모

두 사용하면 연간 CO2 총 배출량의 약 10%를 감

축할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

3. CO2를 이용한 화학제품의 생산

3.1. CO2의 화학적 이용 잠재력

전이금속 착체 Ni(CO2)(PCy3)2의 발견 이래

CO2 화학에 대한 연구가 시작되었으며, 1970년대

말과 1980년대에 CO2 변환과 관련한 반응 메커니

즘이 많이 연구되었다. 그러나 불행히도 이 초기

의 학문적 열정은 산업 투자에 의한 뒷받침이 이

루어지지 못했다(당시는 CO2 배출과 폐기물 저감

에 대한 규제가 없었다). 따라서 그 후 수십 년간

연구개발이 감소했으나, 최근 들어 CO2에 대한 관

기 술 응용 예 비 고

효율 향상 • 전기에너지 생산

• 모든 형태의 에너지 사용

• 화학-전기에너지 변환효율 32% → 50%• 책임감 있는 사용으로 에너지 절약

연료전환 오일이나 가스로 석탄대체 • 단위 전기생산당(1 kWh) CO2 배출량(kg): 석탄 1/오일 0.75/가스 0.5

전기에너지 생산 첨단기술 석탄가스화 복합발전(IGCC) • 화석연료의 탈탄소에 의해 생성되는 CO2의 농축

• CO2는 처분 또는 사용 가능

非 화석연료 원자력 • 전기에너지 생산에 핵연료 사용

영구적 에너지 태양에너지, 풍력, 수력, 지열 • 국가의 지리적 위치에 따라 이용 형태가 다름

재생에너지(Renewables) 바이오매스 이용 • 지상 및 수중 바이오매스 재배로 수송용 액상/가스상 연료

생산 가능

CO2 포집⋅저장(CCS) CO2의 포집 및 처분 • 큰 잠재력은 있으나, 국가에 따라 저장 부지 확보 곤란

• 에너지 집약적이며 현재의 한계를 넘어 화석연료 사용 확대

가능성

CO2 이용(CCU) 자연을 모방한 CO2 리사이클 • 화학적, 기술적, 생물학적 사용으로 이익을 창출하고 폐기

물에 부가가치를 높이는 유일한 방법임.

※출처 : Carbon Dioxide as Chemical Feedstock, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim (2009).

Table 1. 대기 중 CO2 배출 제어 기술[6]

※출처 : DNV, Carbon Dioxide Utilization (2011).

Figure 2. CO2를 이용하는 여러 가지 경로[7].

이산화탄소의 산업자원 이용

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 53

심이 다시 새로워지고 있다.

CO2로부터 합성될 수 있는 여러 가지 화학물질

의 예가 Figure 3에 나타나 있다. Figure 3에서 일

부 화학제품(루트 A, B를 통한 카르복실산염, 탄

산염, 카르밤산염의 생성)은 반응물 중에 CO2 분

자가 혼입됨으로써 얻어진다. 그러한 화학제품은

에너지 함량이 낮아 반응이 실온 또는 그 이하에

서 일어날 수 있다. CO2가 다른 C1 분자(일산화탄

소, 메탄, 메탄올, 포름산 등) 또는 Cn 분자(옥살

산, 에틸렌, 폴리머 등)로 변환되는 공정(루트 C,

D)은 일반적으로 CO2 환원을 위해 고효율 촉매

시스템과 추가 에너지를 필요로 한다[8].

이상과 같이 CO2는 카르복실산염(carboxylates),

에스테르(esters), 락톤(lactones), 탄산염(carbonates),

카르밤산염(carbamates), 폴리머(polycarbonates, poly-

urethane) 등의 합성에 유용하며 화학산업의 당면

문제를 해결하고 지속가능한 산업발전에 기여할

것으로 주목된다. 그 외 CO2는 중간 정도의 산화

제 또는 탈수소화제로서 탄화수소를 전환해서 수

소와 유용한 올레핀을 생산할 수 있다.

3.2. 유기 카보네이트, 카바메이트 및

이소시아네이트의 합성

카르복시화 반응(carboxylation)에 있어 CO2 성

분이 -COOR (carboxylates, esters, lactones), N-

COOR (carbamates), NCO (isocyanates, ureas) 및

ROCOOR (carbonates)을 함유하는 분자 또는 고

분자 화합물(polycarbonates, polyurethane)에 혼입

된다. 이 모든 경우에 있어 생성물은 출발 화합물

보다 C/H 비가 높게 되며, 반응은 에너지 측면에

서 유리하다[10]. 또 이들 화합물을 제조하는데

CO2를 사용함으로써 맹독성인 포스겐(phosgene)

의 사용을 피할 수 있다는 장점이 있다.

CO2 생성의 자유에너지(ΔG = -96.5 kcal/mol)는

CO2의 변환에 많은 에너지 투입이 필요함을 시사

한다. 카르복시기(-COOH) 성분이 생성물에 혼입

되는 카르보닐화 반응은 실제로 많은 에너지 투입이

필요하지 않거나 발열반응이다. 카르복시기 성분을

일단계 촉매공정으로 유기화합물 기질에 도입하는

것은 합성화학에서 가장 까다로운 반응 중의 하나이

다. 지금까지 단 하나의 공정만이 상업화되어 있다

※출처 : Carbon Dioxide as Chemical Feedstock, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim (2009). Greenhouse GasSinks, CAB International (2007).

Figure 3. CO2의 화학물질 합성 응용[6,9].

총 설

54 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

(분자상 유기 탄산염 또는 폴리머를 제조하기 위한

에폭사이드의 카르복시화). Figure 4는 CO2에 기반

한 카르복시화 반응 네트워크를 나타낸다[9].

에폭사이드(epoxide)의 카르복시화 반응과 카보

네이트(carbonates, 탄산염)의 아미노화 반응(ami-

nolysis)은 이미 잘 확립되어 있지만, 다른 프로세

스들은 개발 단계에 있다. 카보네이트는 합성상의

유리한 열역학과 용매, 시약으로서의 폭넓은 용도

때문에 CO2 이용을 위한 좋은 대상 분자라 할 수

있다. 아래 반응식 (1)~(3)은 dimethylcarbonate

(DMC, (CH3O)2CO) 합성을 위한 1, 2, 3세대의 공

정을 나타낸다. 여기서 CO2를 이용하는 방법(식

3)이 유리한 전략이다. 이는 원자 경제(atom econ-

omy: 반응물의 모든 원자가 최종 생성물에 최대

한 포함됨)를 따르는 청정 공정이기 때문이다. R

= CH3인 경우, 원자 효율은 (식 1)에 대해서

54.5%, (식 2, 3)에 대해서는 80%이다. 물이 유일

한 공 생성물(co-product)이며 반응이 선택적이다

(선택도 = 100%). 열역학적 문제 때문에 반응은 약

간 왼쪽으로 이동한다. 평형을 오른쪽으로 이동시

키기 위해서는 새로운 촉매와 반응기가 필요하다.

COCl2 + 2ROH + 2NaOH

→ (RO)2CO + 2NaCl + 2H2O (1)

CO + 1/2O2 + 2ROH

→ (RO)2CO + H2O (2)

2ROH + CO2 → (RO)2CO + H2O (3)

에폭사이드(epoxide)와 CO2를 적절한 촉매가

있는 상태에서 반응시켜 폴리머가 얻어진다. 에폭

사이드로는 propene oxide, cyclohexene oxide 등

이 사용되고 있으며, 촉매로는 아연 화합물 또는

Al-porphyrin 착화합물이 사용된다[10]. 특히, 폴

리우레탄(polyurethane)과 폴리카보네이트(polycar-

bonate)의 합성에 있어 맹독성인 포스겐(phosgene,

COCl2)의 사용을 피하기 위해 CO2를 사용하는 공

정이 산업적으로 활용되고 있다. 폴리카보네이트

와 폴리우레탄은 CO2로부터 유도된 장수명 제품

의 하나이다. 폴리카보네이트는 여러 산업 부문에

서 사용되고 있으며, 현재 세계 소비량은 약 270

만톤/년으로 시장이 확대되고 있다. 만약 모든 폴

리카보네이트 제조가 CO2 기반 공정으로 대체된

다면 CO2의 직접 소비량은 약 60만 톤/년이 될 것으

로 예상된다. 유사하게, 전 세계 모든 폴리우레탄 공

정이 CO2 기반 공정으로 전환된다면, 직접적인 CO2

소비량은 약 270만 톤/년이 될 것으로 추정된다.

Figure 5는 독성 물질인 포스겐(시장 규모 8백

만톤/년 이상)을 대체하는 CO2 기반의 반응 네트

※출처 : Greenhouse Gas Sinks, CAB International (2007).

Figure 4. CO2 기반의 carboxylation reactions[9].

이산화탄소의 산업자원 이용

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 55

워크를 나타낸다. 일부 국가에서는 포스겐의 사용

이 금지되어 있기 때문에 이를 CO2로 대체하는

것은 큰 관심이 되고 있다. 카보네이트 중에는 디

메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC),

디알릴카보네이트(DAC), 디페닐카보네이트(DPC)

가 가장 흥미로운 물질이다. DMC (약 10만 톤/년)

는 화학, 의약 및 전자산업에서 사용되고 있다.

DMC의 새로운 대형 시장(3000만 톤/년)이 가솔

린 첨가제에서 나타나고 있다. 이들 카보네이트는

포스겐(COCl2) 대신 CO2를 사용해 메탄올을 직접

카르보닐화함으로써 얻어질 수 있다(Figure 5 루

트 d). DPC와 DAC는 고분자 산업에 사용되며 현

재 이들의 합성방법 또한 포스겐에 기반하고 있

다. 이상 언급한 유기 카보네이트의 합성 외에도,

카바메이트(carbamates, 루트 i)의 합성도 큰 관심

사이다. 카바메이트는 이소시아네이트(isocyanates)

와 카보네이트(carbonates) 제조를 위한 중간체이

기 때문이다.

요소(urea, 루트 f)의 이용 또한 카보네이트와

우레탄의 합성을 위해 관심을 끌고 있다. 요소

(urea, (NH2)2CO)는 우레탄, 카보네이트((RO)2CO)

의 기초 화학소재로서 새로운 용도가 개발되고 있

다. 따라서 CO2의 상당한 활용이 기대된다(식 4,

5). 반응에서 생성된 암모니아는 리사이클되어 요

소로 변환될 수 있다.

H2NCONH2 + ROH → H2NCOOR + NH3 (4)

H2NCOOR + ROH → (RO)2CO + NH3 (5)

유사하게, 카보네이트는 1차 또는 2차 아민과의

아미노화 반응에 의해 카바메이트 합성을 위한 출

발 물질로 사용될 수 있다. 다른 잠재적 응용처로

는 이소시아네이트 및 폴리에스테르(CO2-ethene

또는 CO2-propene 공중합체)로부터 폴리우레탄의

합성이다. 이들 폴리머는 큰 시장을 형성하고 있다.

3.3. CO2를 이용한 에너지⋅연료 제조

이산화탄소는 추가적인 에너지를 투입해 탄소

기반의 액상 연료를 생산하는 원료 물질이 될 수

있다. CO2는 이들 화합물 중에서 환원된 형태 즉

알콜이나 탄화수소로 존재하며, 에너지원으로서

화학시장보다 더 큰 시장을 갖고 있다. 이러한 화

합물들에서는 C/H 비가 CO2 혼입 시 감소하는데

이는 수소가 반응에 사용되고 있음을 의미한다.

여기서 의문은 수소가 어디서 만들어지는가이다.

※출처 : M. Aresta, In Greenhouse gases: Mitigation and utilization, CHEMRAWN-XVII and ICCDUIX, Kingston, Canada, 123-149(2007).

Figure 5. CO2로부터 carbamate, carbonate 및 isocyanate의 합성[10].

총 설

56 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

수소의 소스는 화석연료(탄화수소나 석탄)여서는

안 된다. 수소 제조 시 CO2가 생성되어 전체 합성

공정을 무의미하게 만들기 때문이다. 물이나 바이

오매스와 같은 외부 소스가 사용되어야 한다. 예

컨대, 가솔린이나 메탄올 제조에 수소와 CO2를 원

료로 사용할 수 있는데, 이때 수소는 수력, 원자력,

태양에너지 또는 풍력을 사용해 물로부터 제조될

수 있으며, 이산화탄소는 화석연료 발전 플랜트로

부터 얻어질 수 있다.

CO2 환원 형태 중에서 메탄올은 연료, 중간체

또는 수소 저장 매개체(연료전지에 사용) 등으로

사용이 고려될 만하다. 지난 20년간 CO2의 촉매

적 수소화를 위해 100% 선택도와 높은 전환율을

갖는 촉매의 개발에 큰 진전이 있었다. 메탄올 합

성에 있어 CO에 비해 CO2가 더 좋은 성능을 보이

고 있다. 이는 반응식 (6)이 반응식 (7)보다 수소를

덜 요구함에도 불구하고, CO2는 합성가스(Syngas,

H2-CO)에 첨가되어(탄소(C)로서 최대 30%까지)

에너지 소비와 CO2 배출을 줄이고, 전반적인 에너

지 효율(CO2 66.5%, CO 64.3%)과 생성물 수율

(CO2 50%, CO 42.3%)을 향상시키기 때문이다

[10]. 또 다른 방법은 포집된 CO2와 태양에너지를

이용한 물의 전기분해로부터 얻은 수소를 사용하

는 반응 (7)이다[8].

CO + 2H2 → CH3OH (6)

CO2 + 3H2 → CH3OH +H2O (7)

합성가스(H2-CO)는 다음의 3가지 방법에 의해

메탄(천연가스)의 개질이나 부분산화로부터 제조

될 수 있다.

CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 ΔH0298

= -36 kJ/mol : 부분산화 (8)

CH4 + H2O → CO + 3H2 ΔH0298

= +206 kJ/mol : 스팀개질 (9)

CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 ΔH0298

= +247 kJ/mol : 건식개질 (10)

이 세 반응의 조합을 ‘tri-reforming’ (삼중개질)

이라 부르며, 반응식 (10)은 CO2 개질 또는 ‘dry

reforming’ (건식개질)이라 불린다. tri-reforming

은 석탄화력, LNG 화력 발전소의 배출가스를 직

접 사용할 수 있기 때문에 CO2 분리 비용(에너지

및 경제적) 문제를 피할 수 있다. 여기서 중요한

문제는 900 K 이하의 온도에서는 코크스가 생성

된다는 것이다. 따라서 코크스의 생성을 저해하고

고효율을 나타내는 신 촉매가 필요하다. 메탄의

건식개질을 위한 촉매-저온 플라즈마(cold plas-

ma) 방법이 산소-연료(oxy-fuel)의 직접 합성을 위

한 유망한 에너지 효율적인 기술로 나타나고 있

다. CO2를 합성가스에 첨가하는 것은 스팀개질에

비해 H2 효율을 증가시킨다. Cu-ZnO 촉매(50

kg/day)를 사용해 CO2와 H2로부터 메탄올 합성

실증 플랜트가 일본에 건설되었다[10]. 523 K, 5

MPa에서 8000 h 운전 시 메탄올 수율은 600 g/Lh

이고 선택도는 99.9%이었으며, 합성가스 변환에

비해 양호한 향상을 보였다. 이 공정은 실리카와

Pd의 첨가로 더욱 향상되었다. 이러한 긍정적 측

면에도 불구하고, 화석연료로부터 생산된 H2의 사

용은 메탄올 생산을 비경제적으로 만들며 CO2 배

출을 저감하지 못한다.

3.4. CO2의 화학적 이용 기술의 평가

CO2 기반 합성법은 발열반응(exoergonic)이다.

CO2 기반 반응은 일반적으로 상당한 엔트로피 변

화를 수반하기 때문에 자유 에너지가 엔탈피보다

많이 고려되어야 한다. 가공 에너지, 전체 탄소 밸

런스, 전체 물질의 양, CO2, 다른 배출가스 등의

양이 최소화될 때 CO2 기반 방법이 에너지 및 환

경적 관점에서 보다 유리하다고 예견된다.

Figure 6은 ethylene carbonate (EC, C3H4O3)의

3가지 합성 경로에 대한 CO2 배출량을 비교한 것

이다. EC 합성에 있어, 루트(a)는 ethylene oxide

(C2H4O) → CO2를 이용한 직접 카르복시화 공정

이산화탄소의 산업자원 이용

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 57

(신규상용공정)이며, 루트(b)는 ethylene oxide

(C2H4O) → ethylene glycol(C2H4(OH)2)과 phos-

gene을 사용하는 공정(전통상용공정)이며, 루트(c)

는 ethylene chlorohydrin (C2H5ClO) → ethylene

glycol (C2H4(OH)2)과 phosgene을 사용하는 공정

(구 공정으로 거의 폐기됨)이다. Figure 6에서 보

듯이 CO2 기반 공정(a)이 포스겐에 기반한 공정들

(b,c)보다 단위 생성물당 훨씬 적은 양의 CO2를

방출한다. 또 독성 요인(phosgene 사용)과 환경적

문제(폐 클로라이드 등)를 고려하면 CO2 기반 공

정이 더욱 유리함을 알 수 있다.

4. CO2를 이용한 바이오 연료의 생산

4.1. 조류 바이오매스 재배와 CO2의 이용

CO2를 빠르게 성장하는 조류(藻類, algae)에 직

접 고정화(biofixation)하는 방법은 대기 중 CO2의

배출 및 축적을 저감하는데 상당히 기여할 수 있

으며, 또 하나의 CO2 포집⋅저장 방법이 될 수 있

다. 조류는 태양에너지의 도움으로 물과 포집한

CO2의 광합성 반응을 통해 녹말과 같은 에너지가

풍부한 유기화합물 덩어리(조류 바이오매스)로 변

환, 성장한다. 성장한 조류 바이오매스는 유용한

화학제품(메탄, 메탄올, 수소 등), 고부가 바이오제

품(카르티노이드(carotenoid), 아미노산 등), 바이

오연료(바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스 등

액상 및 가스상 연료)의 생산과, 바이오정화(biore-

mediation) 공정에 사용될 수 있다[8,11]. 특히 바

이오연료(biofuel)는 화석연료를 대체할 수 있어

차세대 재생에너지원으로서 기대가 된다. 이러한

바이오매스에 의한 인공적 광합성 사이클의 수행

은 CO2를 리사이클함으로써 자연의 탄소 사이클

을 보완하며, CO2 배출 저감에 효과적인 기여를

할 수 있다. 이산화탄소 포집에 미세조류를 사용

하는 주된 이유는 높은 광합성 효율, 경작지 불필

요, 현장 해결책(화력발전소 가까이 설치 가능),

추가적 수익 창출(바이오 연료, 사료 등 다양한 부

산물), 높은 작업 안전성 등을 들 수 있다.

Figure 7은 이산화탄소의 조류기반 포집공정과

조류 바이오매스의 이용 예를 나타낸다.

4.2. 조류기반의 CO2 포집공정

전체 탄소포집공정은 미세조류의 광합성에 기

반한다. 조류의 높은 성장 속도로 인해 이 시스템

※출처 : M. Aresta, In Greenhouse gases: Mitigation and utilization, CHEMRAWN-XVII and ICCDUIX, Kingston, Canada, 123-149(2007).

Figure 6. ethylene carbonate 합성 경로에 대한 CO2 배출량 비교[10].

※출처 : C. Sen, Master Thesis, KTH Royal Institute of Technology (2012). KISTI MARKET REPORT, 3(5),11-14 (2013).

Figure 7. 조류기반 CO2 포집 공정과 조류 바이오매스의 이

용[12,13].

총 설

58 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

은 다른 바이오-탄소 포집 시스템보다 많은 CO2

를 포집할 수 있다. 광생물반응기에 주입되는 이

산화탄소는 순수 CO2로서 공급되거나 배가스를

직접 주입하는 방법이 사용된다. 지구온난화를 완

화하고 미세조류 바이오매스를 대량 생산하기 위

해서는 배가스의 사용이 바람직하다. 순수 CO2를

공급하기 위해서는 배가스 중의 이산화탄소를 화

학적 흡수(아민 용매, 탄산칼륨 사용), 극저온 분

류(cryogenic fractionation), 막 분리, 분자체(mole-

cular sieves) 흡착 등의 방법이 사용된다. CO2의

흡수에는 보통 버블 컬럼이나 충전탑이 사용된다.

미세조류 재배액에 직접 배가스를 주입하기 위해

서는 탄산화(carbonation, 탄산염화) 시스템의 적절

한 디자인과 운전이 필요하다. 그렇지 않으면 거의

모든 CO2가 대기 중으로 방출될 수 있다. 탄산화 시

스템를 적절히 디자인하기 위해, 배가스의 소스(석

탄, 천연가스, 시멘트, 화학산업 등)에 CO2 외에 혼

입되어 있는 SOx, NOx, CO, 분진, 중금속(특히 수

은) 등이 고려되어야 한다. 이들 성분은 조류의 사멸

을 야기할 수 있기 때문에, 적절한 제거 공정이 필요

하며 고온의 배가스는 냉각시킬 필요가 있다. 배가

스의 정제 후, 고농도 CO2를 함유한 배가스는 미세

조류 재배 시스템(광생물반응기, photobioreactor)에

공급된다(Figure 8). 배가스 주입은 연속 버블링

(continuous bubbling) 또는 필요시 주입(on-demand

injection) 방법에 의해 수행된다. 각각의 CO2 이용

효율은 탄산화 장치의 디자인과 운전, 배지 내 물질

전달 현상의 함수로 주어진다. 조류 재배를 위해

CO2 외에도 햇빛과 영양분을 필요로 한다. 이 모든

필요조건이 갖추어지고 탄산화시간이 지나면 조류

는 빨리 성장하며, 성장한 조류 바이오매스는 수확

될 수 있다. 결과적으로 발전소에서 배출된 CO2가

바이오매스 내에 포집되게 되는 것이다.

조류 재배시스템에서 수확단계에 이르기까지

조류기반 탄소포집공정은 생물학적 폐수처리 공

정과 많은 유사성이 존재한다. 이들 두 공정을 조

합해 사용하면 조류 재배와 함께 폐수정화의 효과

도 얻을 수 있어, 최근 이들 두 공정의 이점을 살

린 통합 공정이 많이 연구되고 있다. 폐수처리 플

랜트는 폐수 중의 유기 탄소와 유기 질소를 각각

CO2와 N2로 산화하기 위하여 산소를 공급하는 데

에만 전체 에너지의 반을 소모한다. 만약 미세조

류를 이용하면 박테리아에 의해 방출된 CO2를 흡

수하여 O2를 생산할 수 있다. 그래서 에너지 소비

와 대기 중 방출되는 CO2를 저감할 수 있으며,

CO2는 최종적으로 유용한 조류 바이오매스로서

축적될 수 있다. 또 유기 질소도 미세조류 바이오

매스 중에 단백질-질소로서 보유된다.

4.3. 미세조류의 수확

일반적으로 미세조류의 수확공정은 벌크 수확

(Bulk harvesting)과 농축(Thickening)의 2단계로

나뉜다[12].

4.3.1. 벌크 수확

벌크수확(bulk harvesting)은 예비분리 단계로서

배양액을 벌크 현탁액으로부터 분리하는 것이다.

이 단계에서는 응집법, 부유법, 중력침전법이 주로

사용된다.

1) 응집법

단세포 구조로 인해 대부분의 미세조류들이 매

우 작은 크기를 갖고 있다. 응집제(철계 또는 알루

미늄계 응집제)를 벌크에 주입하면 보다 큰 크기

로 응집(flocculation)시킬 수 있다. 이렇게 하면 중

력침전 등 후처리에 용이하다. 미세조류 세포를

응집하는데는 전기응고(electrocoagulation), 전기

응집(electroflocculation), 자성분리(magnetic sep-

aration), 초음파(ultrasound), pH 변화를 이용한 응

※출처 : C. Sen, Master Thesis, KTH Royal Institute of Technology (2012).

Figure 8. 미세 조류 기반의 CO2 포집 공정의 개념도[12].

이산화탄소의 산업자원 이용

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 59

집(flocculation), 또는 금속염을 첨가하는 방법이

사용된다.

2) 부유법

공기를 벌크의 바닥으로부터 주입하면, 작은 미

세 조류 입자들이 공기 버블에 부착되어 물의 표

면까지 운송된다. 이러한 부유법(flotation)은 직경

이 500 µm보다 작은 입자에 대해 유용하다.

3) 중력침전법

중력침전법(gravity sedimentation)은 폐수처리

플랜트에서 슬러지를 모으는 가장 통상적인 기술

로서 큰 입자의 분리에 적합하며 응집 단계 후에

사용된다. 이 방법은 비용이 저렴하지만, 긴 시간

을 필요로 하는 공정으로 인해 시간 효율이 낮다.

4.3.2. 농축

미세조류는 기본적으로 벌크 수확단계에서 물

로부터 분리되지만, 슬러리 중 전체 고형물질 농

도는 약 2~7%가 된다. 바이오매스의 이용과 물의

재생을 위해서는 슬러리를 농축(thickening)하는

단계가 필요하다. 이 공정에서는 원심분리법, 여과

법이 자주 사용되며 벌크 수확단계보다 훨씬 많은

에너지가 소비된다.

1) 원심분리

탈수공정인 원심분리를 통하여 슬러리 농도는

실험실 조건에서 2~5 min 내에 80~90%로 증가

한다. 이 방법은 시간 효율이 높다고 말할 수 있

다. 주된 단점은 이 공정이 매우 에너지 소비적이

라는 것이다.

2) 여과 및 스크리닝

이 방법은 비 에너지 소비 공정이다. 미세조류

의 포집을 위해 스크린을 사용하려면 미세 크기의

조류를 거르기 위한 스크린 필터가 필요하다. 재

래적인 여과 공정은 직경 70 µm 이상의 입자를

포획하는데 적합하다. 이 보다 작은 입자에 대해

서는 특수한 멤브레인과 한외여과(ultrafiltration)

기술이 필요하다.

4.4. 바이오연료의 제조

미세조류는 기름진 토양이나 수질을 가리지 않

기 때문에 식품 공급이나 다른 농작물의 생산에

영향을 주지 않는다. 이런 의미에서 미세조류는

바이오디젤이나 바이오에탄올의 지속적인 생산을

위한 유일한 대안으로 제시되고 있다. 그러나 바

이오에너지 시장에서 경쟁력을 갖기 위해서는 미

세조류의 생산 가격이 곡물 생산 가격과 비슷해야

한다. 대형조류(macroalgae)도 연료 생산을 위해

재배되고 있는데, 이들은 재배와 수확기술이 보다

용이하고, 자연 재배 지역의 확보 가능성이 크고,

pH, 영양분, 온도에 대한 요구 조건이 덜 까다롭

기 때문에 미세조류보다 선호될 수 있다[10].

4.4.1. 바이오디젤(biodiesel)

수확된 미세조류 바이오매스는 건조 과정을 거

쳐 오일(함량 10~50%)을 추출하고 에스테르교환

※출처 : C. Sen, Master Thesis, KTH Royal Institute of Technology (2012).

Figure 9. 에스테르 교환 반응(transesterification)[12].

총 설

60 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

반응(transesterification)을 통해 바이오디젤로 변

환할 수 있다. 이 기술은 이미 대규모 상업적 생산

에 적용되고 있다. 조류 오일 투입량과 바이오디

젤 산출량의 이론적 상관관계는 약 1 : 1이다. 미

세조류의 바이오디젤 생산능력은 35,000리터/헥

타르/년으로 추정되고 있다[11].

4.4.2. 바이오에탄올

대부분의 미세조류의 세포벽은 다당류(polysac-

charide)로 형성되어 있다. 조류로부터 오일 추출

후 찌꺼기의 주된 성분은 세포벽이다. 이 찌꺼기

는 에탄올(bioethanol)을 생산하기 위한 알콜 발효

의 원료로 사용될 수 있다. 미세조류의 바이오에

탄올 생산능력은 38,000리터/헥타르/년으로 추정

되고 있다[11].

4.4.3. 바이오가스

농축된 미세조류 슬러리는 농⋅축산업의 여러

폐기물 바이오매스처럼 혐기성 소화(anaerobic di-

gestion)를 통해 바이오가스(biogas, 주성분 메탄)를

생산한다. 바이오가스의 평균 조성은 CH4 50~

70%, CO2 20~30%, SH2 0.1~0.5%이다. 또 물과

소량의 N2, NH3, SO2, H2를 함유하고 있다. 이 때

문에 바이오가스는 상업적 가치가 낮아 통상 현장

생산되어 종국적으로 에너지원(난방, 발전) 및 조류

재배의 CO2 소스로서 사용된다(Figure 10). 그러나

바이오가스의 CO2 함량을 천연가스와 동일한 수준

으로 줄일 수 있다면 산업적으로 사용될 수 있다.

4.5. 조류 기반 CO2 포집 공정의 전망

CO2를 이용해 생산된 조류 바이오매스는 장기

적인 CO2 저장을 제공하지 않기 때문에 현실적인

CO2 배출 저감 대책이 아닐 수 있다. 그러나 미세

조류는 탁월한 CO2 흡수 능력으로 인해 확실히

온실가스 저감에 기여하고 있으며, 대체에너지원

으로서 바이오연료 생산 및 화학산업의 대체 원료

등에 사용될 수 있어 화석연료의 추출과 사용을

저감할 수 있다. 따라서 미세조류는 다양한 산업

적 응용 잠재력이 큰 미래의 생물자원이라고 할

수 있다. 특히 현재 고유가 및 지구온난화 문제는

미세조류를 바이오에너지원으로서 새로운 주목을

받게 하고 있다. 미세조류로부터 바이오연료의 생

산은 식용 농작물(옥수수 등)을 사용하지 않으므

로 식량 공급에 영향을 주지 않는다는 의미에서

미세조류는 바이오디젤이나 바이오에탄올의 지속

적인 생산을 위한 유일한 대안으로 제시되고 있

다. 문제는 다량의 CO2를 생물학적으로 고정화하

기 위해서는 다량의 미세조류 바이오매스의 생산

이 필요하다는 것이다.

5. CO2를 이용한 광물 탄산화

5.1. 광물 탄산화 공정 개요

광물 탄산화 방법은 천연 실리케이트 광물의 자

연풍화(natural weathering) 현상을 모방한 지구모

방기술(geomimicry)로, CO2를 지질학적 시간 스

케일(geological time scale)로 안전하게 포집⋅저

※출처 : Appl. Microbiol. Biotechnol., 96, 577-586 (2012).

Figure 10. 미세조류로부터 바이오디젤 및 바이오가스의 생산 공정도[11].

이산화탄소의 산업자원 이용

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 61

장하는 영구한 해결책을 제공한다[3,14]. 이 방법

은 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg)계 금속산화물 재

료(실리케이트 광물)와 CO2를 반응시켜 고체의

금속 탄산염(CaCO3, MgCO3 등)과 고형 부산물

(실리카 등)을 생성시키는 것이다. 생성물인 탄산

염은 자연에서 존재하는 안정한 고체물질이다. 마

그네슘과 칼슘 실리케이트 광상(deposit)은 모든

화석연료자원의 연소로부터 발생되는 CO2를 고정

화할 만큼 지구상에 충분히 많다. 1톤의 CO2를 고

정화하는데 약 1.6~3.7톤의 암석이 필요하다[8].

광물 탄산화의 가장 간단한 방법은 가스상 CO2

와 금속산화물을 함유한 입자상 재료를 적절한 온

도와 압력에서 반응시키는 것이다. 불행히도 그러

한 기체-고체 직접반응은 너무 느려서 실용적이지

못하며, 정제된 재료(칼슘, 마그네슘 산화물 또는

수산화물)에 대해 적절한 압력에서만 가능하다.

결과적으로 정제된 원료가 아니면 광물 탄산화는

배가스로부터 직접 CO2가 포집되지는 않는다. 그

러나 IGCC (Integrated Gasification Combined

Cycle, 석탄가스화복합발전) 플랜트로부터 고압

CO2 농후 가스의 경우에는 가능하다.

CO2가 금속 산화물(M은 2가 금속 : Ca, Mg, Fe

등)과 반응할 때 다음 반응식에 따라 해당 금속의

탄산염이 생성되고 열이 방출된다. 반응은 열을

방출하기 때문에 탄산염의 생성은 열역학적으로

저온이 선호된다.

MO + CO2 → MCO3 + heat

예컨대, M이 칼슘과 마그네슘일 경우 각각 다

음과 같은 반응이 일어난다[15].

CaO + CO2 → CaCO3 + 179 kJ/mole

MgO + CO2 → MgCO3 + 118 kJ/mole

탄산화 동안 광물 표면에 실리카나 탄산염 층의

생성으로 더 이상의 반응이 방해받거나 전환이 제

한되며, 수용액 반응의 경우 가스상으로부터 CO2

의 흡수 속도에 제약이 있다. 광물 탄산화의 핵심

이슈는 탄산화를 가속화시키는 방법을 찾는 것이

며, 환경적 제약 속에서 에너지 및 물질의 손실을

최소화하면서 반응열을 이용하는 것이다.

광물 탄산화는 크게 직접탄산화법과 간접탄산화

법으로 분류된다. 직접탄산화법은 기상(건식) 공정,

액상(습식) 공정, 용융염 공정으로 나뉘며, 액상 공

정에는 1단계, 2단계, 3단계 공정이 있다. 간접 탄

산화법은 액상 공정과 용융염 공정으로 나뉘며, 액

상공정에는 염산, 초산 추출 공정이 있으며 2단계

또는 다단계 공정으로 수행된다. 용융염 공정은 직

접법, 간접법 양 방법에 의해 수행될 수 있다.

5.2. 현장 탄산화(in-situ carbonation)와

이동 탄산화(ex-situ carbonation)

실리케이트 암석의 경우, 탄산화는 실리케이트

를 채광, 전처리한 후 외부의 화학처리공장에서

수행될 수도 있고(ex-situ 처리), 현장에서도 CO2

를 실리케이트가 풍부한 지질층이나 알칼리 대수

층에 직접 주입함으로써 행해질 수도 있다(in-situ

처리). 현재의 ex-situ 광물 탄산화 기술에서는 고

체 반응물의 준비(채광, 수송, 분쇄 및 활성화), 가

공(첨가제와 촉매의 사용, 리사이클링, 손실과 관

련한 상응하는 에너지 포함), 탄산염과 부생물의

처분 등의 공정에서 에너지의 투입이 필요하다.

이 세 가지의 상대적 중요성은 금속산화물의 소스

(천연 실리케이트인가 산업 폐기물인가)에 따라

다르다. 한편 산업 폐기물은 탄산화를 위해 다른

장소로 이동할 필요가 없이 폐기물이 발생된 동일

한 플랜트 내에서 탄산화 처리될 수 있다.

5.3. 광물 탄산화의 장점

CO2의 저장 방법으로 광물 탄산화의 장점은 다

음과 같다[3].

1) 광물 탄산화는 인위적으로 발생된 CO2를 영

구히 안전하게 또 환경적으로 안정한 고체의 Mg

및 Ca 탄산염으로 저장할 수 있으며, 동시에 지구

온난화를 완화할 수 있다. 다른 격리 방법들(지층

저장, 해양 저장)은 시간의 경과와 함께 누설 우려

가 있다.

2) 마그네슘 실리케이트 암석 자원은 상당히 많

총 설

62 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

이 존재하며, 모든 화석연료의 연소에서 나오는

CO2를 격리하는데 필요한 양의 수백 배나 된다.

이 자원은 또 전 세계에 고르게 분포되어 있다.

3) 광물 탄산화의 전체 공정이 성질상 발열반응

이고, 따라서 경제적으로 성공할 가능성이 있다.

마그네슘 실리케이트(magnesium silicate)가 탄산

염(carbonate)으로 변환하는 반응(MgSiO3 + CO2

→ MgCO3 + SiO2)의 자유 에너지 변화는 상당히

큰 음의 값을 나타내므로 생성물인 탄산염과 실리

카는 열역학적으로 반응물보다 더 안정하다.

4) 탄산염 암석은 산성을 줄이고 수분 함량을

증가시킴으로써 농업적 이용을 위한 토양의 생산

성 향상에 유용하며, 삼림의 성장에 도움을 준다.

또 탄산염 생성물과 부생물은 건설재료 등 여러

가지 산업적 용도로 사용될 수 있어 탄산화 공정

의 경제성을 향상시킨다.

5.4. 광물 탄산염의 산업적 이용

CO2 광물 탄산화 공정에서 최종 생성되는 생성

물은 탄산염(탄산칼슘, 탄산마그네슘)과 실리카이

다. 이들은 자원적 효용 가치가 높아 여러 산업에

응용되고 있으며, 광물 탄산화 공정의 경제성에

중요한 기여를 한다. 현재 사용되고 있는 탄산칼

슘은 고품위인 경질(침강) 탄산칼슘(precipitated

calcium carbonate, PCC)과 불순물 함량이 다소

높은 중질 탄산칼슘(ground calcium carbonate,

GCC)으로 나뉜다.

상대적으로 순도가 낮은 GCC는 제지산업, 플

라스틱산업, 고무산업, 접착제, 방수제(sealant) 등

에 충전제(filler)로 사용되며, 기타 유리, 동물용

먹이(Ca 공급), 농업분야(pH 조절용), 건설재료(널

빤지 지붕, 치장벽토, 콘크리트, 벽돌 제품 등), 시

멘트 클링커 등에 사용되며, 고순도(> 99%)의

PCC는 제약산업(정제 및 캡슐의 희석제, 제산제,

Ca 공급원 등), 식품산업(식품 첨가물) 등에 사용

된다[16]. 한편 탄산염 암석은 노반(roadbed) 강화

에 사용될 수 있고, 마그네사이트(magnesite)는 잡

초 방지에 사용될 수 있다.

5.5. 광물 탄산화 공정의 전망

다른 격리법과 비교해 광물 탄산화의 근본적인

장점은 CO2의 영구 저장 특성, 이론적으로 무한한

저장 능력이다. 따라서 광물 탄산화에 의해 저장

되는 CO2는 장기적 대안이 될 수 있다. CO2가 광

물 중에 강하게 결합되어 있어 누설로 인한 CO2

의 방출이 없을 것으로 생각되기 때문이다. 향후

연구는 개별 공정의 가속화와 에너지 효율의 향상

에 주안점이 두어져야 할 것이며, 동시에 대중의

※출처 : Marco Mazzoti, et al., Mmineral carbonation and industrial uses of carbon dioxide (2006).

Figure 11. 실리케이트 암석/산업폐기물의 ex-situ 탄산화 개념도[8].

이산화탄소의 산업자원 이용

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 63

수용이 제고되어야 할 것이다[17]. 광물 탄산화에

대한 대중적 수용(public acceptance)은 이 저장 방

법이 매우 검증 가능하고 확실히 영구적이라는 사

실에 의해 향상될 수 있다. 광물 탄산화의 단점은

대규모 채광과 관련 환경 문제가 포함되어 있다는

것이다(지형변화, 잠재적 석면 오염에 의한 분진

공해, 잠재적 미량원소 유통).

광물 탄산화 기술의 상용화를 위해서는 공정비

용이 감소되어야 하고, 반응의 발열 성질을 이용

함으로써 광물 전처리와 관련한 에너지 요구량이

줄어들어야 한다. 광물 탄산화는 통상 대부분의

지층 저장보다 비싸지만, 반면에 실질적으로 무제

한 영구성을 갖으며 최소한의 모니터링만이 요구

된다. 광물 탄산화를 천연 실리케이트와 산업 폐

기물 모두에 적용하기 위해서 비용저감에 대한 연

구가 진행 중이다. 또 광물 탄산화에 효과적으로

이용하기 위해서 실리케이트의 천연 매장량 추정

에 대한 평가도 필요하다. 광물 탄산화는 아직 미

성숙한 기술이다. 그러므로 채광, 탄산화 반응, 탄

산염의 처분, 원재료 수송, 에너지 소요, 비용, 환

경영향에 대한 철저한 평가가 이루어져야 한다.

6. 맺는말

이산화탄소의 산업적 이용은 CO2 배출 저감과

지구온난화 완화에 큰 잠재력을 가지고 있다. 즉,

CO2가 높은 온난화지수(GWP)를 갖는 화학물질

이나, 에너지 및 탄소 집약적인 공정을 통해 제조

되는 화학물질들을 대체할 수 있다. 구체적으로,

CO2는 현재 오일회수증진(EOR)을 위한 원유추출

에 이용되고 있는 외에, 장차 화학적으로는 유용

화합물(유기 카보네이트, 카바메이트, 이소시아네

이트, 카르복실레이트 등)의 합성, 가솔린이나 메

탄올 등 연료의 제조에 이용될 수 있으며, CO2를

조류 재배에 이용함으로써 조류 바이오매스로부터

바이오디젤, 바이오에탄올 등 바이오 연료를 제조

할 수 있으며, 또 광물의 탄산화에 이용함으로써

생성된 광물 탄산염을 제지, 플라스틱, 고무, 페인

트 산업의 필러 및 건설자재로 이용할 수 있다.

현재 전 세계적으로 CO2가 연간 1억 1,800만

톤 정도 사용되고 있으며, 이러한 CO2 이용 기술

을 모두 시행한다면 연간 2.5억~3.5억 톤에 해당

하는 CO2의 감축이 중기적으로 가능할 것으로 예

측되고 있다[9,10]. 이 양은 2011년 전 세계 CO2

배출량(356억 톤)의 약 1%에 해당한다. CO2의 이

용으로 회피되는 CO2 양은 세계적 감축 요구량의

작은 부분에 지나지 않지만, 이로 인해 화석연료의

추출과 소비를 줄일 수 있다는 것은 주목할 일이다.

CO2 이용 기술의 산업적 활용에는 많은 새로운

지식들이 필요하다. CO2 기반의 혁신적 공정을 위

해서는 새로운 고효율 촉매, 친환경⋅저비용 공정

의 개발, 에너지 절감 및 재생에너지 사용 등이 필

요하며, 또 공정의 상업적 성공을 위해서는 주생

성물과 부생성물들의 자원적 활용 가치를 높여 경

제성을 증대시켜야 한다. 현재의 삶의 수준을 유

지하고 발전시키기 위해서는 화학원료와 연료(에

너지)의 확실한 공급은 필수적이다. 요컨대, 오늘

날 인류가 직면하고 있는 중대한 지구적 문제인

지구온난화를 완화하기 위해서는 가장 주된 온실

가스인 이산화탄소의 배출을 줄이는 것이 무엇 보

다 중요하고 시급하다. 따라서 CCS (탄소포집⋅저장)와 CCU (탄소포집⋅활용) 기술을 병행 이용

하는 것이 CO2 배출 저감과 기후변화에 대응하고

지속 가능한 경제 발전을 견인하는 중장기적 방법

이 될 것으로 생각된다.

요컨대 CO2 배출을 줄이고, 다른 환경 영향을

줄이고, 에너지 공급의 안정을 확보하고, 또 산업

경쟁력을 제고하기 위해서는 CO2를 전략적으로

이용하는 공정을 적극 개발해야 한다. 또한 CO2의

이용은 탄소포집저장(CCS) 기술의 인프라를 가속

화시키는 좋은 주춧돌이 될 수도 있다. 이러한 이

산화탄소 이용 기술의 폭넓은 상업적 채용을 유인

하기 위해서는 CO2 기반의 그린화학 기술의 개발

이 적극적으로 추진되어야 하며, 궁극적으로는

CO2 거래 시장을 활성화하는 강력한 탄소가격 정

책과 이에 상응하는 규제 메커니즘이 필요하다.

총 설

64 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

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김 경 호1979 서울대 화학공학과 학사

1981 KAIST 화학공학과 석사

2012 서울시립대 환경공학과 박사

1981~1984 한국화학연구원 연구원

1984~현재 한국과학기술정보연구원

책임연구원

소 대 섭1986 한양대 화학공학과 학사

1989 한양대 공업화학과 석사

2010 한양대 나노공학과 박사

2011~2012 카네기멜론대 방문연구원

1989~현재 한국과학기술정보연구원

책임연구원

2012~현재 과학기술연합대학원대학교

교수