연구원들이 환경을 개발하다

워싱턴 주립대학교 2023년 4월 22일

워싱턴 주립대학교 연구원들은 시멘트에 바이오 숯을 주입하여 업계의 탄소 배출량을 줄이는 탄소 음성 콘크리트 공식을 개발했습니다. 이 친환경 콘크리트는 일반 시멘트와 비슷한 강도를 자랑하며 공기 중 이산화탄소를 최대 23% 흡수합니다.

워싱턴 주립대학교 연구진은 기존 콘크리트만큼 강한 탄소 배출을 억제하고 친환경적인 콘크리트 공식을 개발했습니다.

개념 증명 작업에서 워싱턴 주립 대학의 연구원들은 이전에 콘크리트 폐수로 강화되었던 유기 폐기물에서 생산된 숯의 일종인 바이오 숯을 표준 시멘트에 주입했습니다. 바이오 숯은 대기 중 이산화탄소를 무게의 23%까지 흡수하면서도 일반 시멘트와 비슷한 강도를 유지했습니다.

이 연구는 모든 제조 산업 중에서 가장 에너지 집약적이고 탄소 집약적인 콘크리트 산업의 탄소 배출을 크게 줄일 수 있습니다. 박사과정 학생 Zhipeng Li가 주도한 이 연구는 4월 10일 Materials Letters 저널에 보고되었습니다.

WSU 토목환경공학과 교수이자 해당 논문의 교신 저자인 Xianming Shi는 “이것이 탄소 제로 건축 환경이라는 사명에 기여하게 되어 매우 기쁩니다.”라고 말했습니다.

대학원생 Zhipeng Li와 Xianming Shi 교수 사진: 워싱턴 주립대학교

매년 전 세계적으로 40억 톤 이상의 콘크리트가 생산됩니다. 일반 시멘트를 만들려면 고온과 연료 연소가 필요합니다. 생산에 사용되는 석회석도 분해되어 이산화탄소를 생성하므로 시멘트 생산은 전세계 인간 활동으로 인한 총 탄소 배출량의 약 8%를 차지하는 것으로 생각됩니다.

연구자들은 시멘트를 보다 환경 친화적으로 만들고 탄소 배출량을 줄이기 위해 바이오 숯을 시멘트 대체품으로 첨가하려고 시도했지만, 바이오 숯을 3%만 첨가해도 콘크리트의 강도가 크게 감소했습니다. 콘크리트 세척 폐수에서 바이오 숯을 처리한 후 WSU 연구원들은 시멘트 혼합물에 바이오 숯을 최대 30%까지 추가할 수 있었습니다. 바이오 숯으로 보강된 시멘트로 만든 페이스트는 28일 후에 평방인치당 약 4,000파운드의 일반 시멘트와 비슷한 압축강도에 도달할 수 있었습니다.

“우리는 폐기물 흐름을 콘크리트의 유익한 용도로 전환하는 새로운 방법을 찾는 데 최선을 다하고 있습니다. 이러한 폐기물 흐름을 식별한 후 다음 단계는 화학이라는 마법의 지팡이를 흔들어 이를 자원으로 전환할 수 있는 방법을 찾는 것입니다.”라고 Shi는 말했습니다. "비결은 실제로 인터페이스 엔지니어링에 있습니다. 콘크리트에서 인터페이스를 엔지니어링하는 방법입니다."

가성 콘크리트 세척수는 콘크리트 생산 시 때때로 문제가 되는 폐기물입니다. 폐수는 매우 알칼리성이지만 귀중한 칼슘 공급원 역할도 한다고 Shi는 말했습니다. 연구자들은 칼슘을 사용하여 방해석의 형성을 유도했는데, 이는 바이오 숯과 결국 바이오 숯을 포함하는 콘크리트에 도움이 되었습니다.

"대부분의 다른 연구자들은 시멘트를 대체하기 위해 최대 3%의 바이오 숯만 추가할 수 있었지만 우리는 바이오 숯의 표면을 조작하는 방법을 알아냈기 때문에 훨씬 더 많은 양의 바이오 숯을 사용하는 방법을 시연하고 있습니다"라고 그는 말했습니다.

칼슘을 많이 함유한 고알칼리성 폐수와 다공성 바이오 숯 사이의 시너지 효과는 탄산칼슘이 바이오 숯 위나 안으로 침전되어 바이오 숯을 강화하고 공기 중 이산화탄소를 포집할 수 있음을 의미합니다. 이 재료로 만들어진 콘크리트는 콘크리트의 수명 동안(보통 포장도로에서는 30년, 교량에서는 75년) 계속해서 이산화탄소를 격리할 것으로 예상됩니다.

연구진은 이 기술을 상용화하기 위해 상용화 사무국(Office of Commercialization)과 협력하여 지적 재산권을 보호하고 탄소 네거티브 콘크리트 작업에 대한 가특허 출원을 제출했습니다. 그들은 최근 다양한 사용 사례에 대한 더 많은 데이터를 생성하기 위해 워싱턴 연구 재단으로부터 시드 보조금을 받았습니다. 그들은 또한 현장 시연을 위한 생산 규모를 확대하고 이 WSU 기술을 라이센스하기 위해 건축 및 건설 분야의 업계 파트너를 적극적으로 찾고 있습니다.