탄소 포획 및 저장의 효과를 감소시키는 지구화학적 반응

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

탄소가 고여 있는 지역은 자연적인 지질학적 축적(geological accumulations)과 염분을 함유한 대수층(aquifers)에서 공학적으로 제어된 탄소의 저장에서 찾아볼 수 있다. 이러한 이산화탄소가 일단 지층수(formation water)에 용해되면, 이산화탄소의 농도가 짙어지고, 대류 흐름(convection streams)은 이산화탄소를 깊은 지역으로 효율적으로 이동시킬 것이다. 그러나 이러한 현상은 일어나지 않을 수도 있다. 물을 포함하고 있는 다공성 암석의 지하층인 대수층에서 일어나는 지구화학적 반응(geochemical reaction)이 수 백 년 또는 수 천 년 동안 이산화탄소(carbon dioxide)를 저장할 수 있으며, 이러한 지하 저장소를 탄소 포획 및 저장(CCS; carbon capture and storage) 계획에 어떻게 사용할 것인가에 대한 재고가 필요하다고 영국 케임브리지 대학(University of Cambridge) 소속의 연구진이 수행한 연구는 제안했다. 새로운 연구는 규산염 광물(silicate minerals)이 풍부한 대수층은 이산화탄소가 대수층에서 대기로 누출을 훨씬 더 적게 하는 더 깊은 깊이로 이산화탄소를 이동하는 것을 지연 또는 심지어 방해할 수 있다는 것을 보여 주었다. 관련 연구는 Nature Communications 저널에 “규산염이 풍부한 암석의 지구화학이 표면 아래 대수층에서 이산화탄소의 확산을 축소할 수 있다.(Geochemistry of silicate-rich rocks can curtail spreading of carbon dioxide in subsurface aquifers.)”라는 제목으로 발표됐다. 염분이 함유된 대수층은 인위적인 탄소 배출이 대기로 유입되지 않도록 지하에 포획 및 저장하는 CCS 계획을 수행하는 가장 안전하고 효율적인 선택 사항으로 고려되어 왔다. 지층수(formation water)에 용해와 깊은 곳으로 이산화탄소의 이동은 모두 이산화탄소 배출 위험을 감소시킨다. 용해는 저장소의 모자암(cap rock)에서 파쇄를 통하여 위로 누출될 가능한 위험을 줄이는 한편, 더 깊은 곳으로 이동은 용해의 속도와 이산화탄소가 암석 광물(rock minerals)에 결합할 수 있는 가능성을 증가시킨다. 이 연구는 CCS 계획에 관하여 과거에 가정했던 일부 문제인 이산화탄소가 대수층에 저장될 때 기대했던 것처럼 행동하지 않을 수 있다는 것을 발견했다고 이 연구를 주도한 화학공학 및 생명 공학부 소속의 Silvana Cardoso 박사는 밝혔다. 이 연구에서, 연구진은 용해된 이산화탄소와 표면 아래에 대류 흐름에 대한 암석의 형성 사이에 자연적인 화학적 반응의 영향을 이론적 및 실험적으로 평가했다. 연구진은 탄산염암(carbonate rocks)에서 용해된 이산화탄소의 흐름이 화학적 상호 작용을 지속시키는 한편, 규산염이 풍부한 암석에서 화학적 상호 작용은 이러한 이동을 비약적으로 축소하거나 심지어 방해할 수 있다는 것을 확인했다. 이산화탄소가 대수층 물에 일단 용해되면, 더 농도가 짙어지고, 대류 흐름이 발달하여 대수층의 더 깊은 부분과 혼합되기 위하여 이동한다고 여겨져 왔다. Cardoso 박사와 공동 저자인 전 박사 과정 학생인 Jeanne Andres는 암석 형성과 용해된 이산화탄소 사이의 화학 반응이 대류 흐름의 강도를 감소시킴으로써 이산화탄소가 더 깊은 깊이로 도달하는 것을 지연 또는 심지에 방해될 수 있다는 사실을 발견했다. 연구진은 깊은 다공성 매질에서 유체 흐름과 화학적 역학 사이의 기본적인 상호 작용을 수립하기 위하여, 단순한 실험실 실험과 수학적 분석의 조합을 사용했다. 동 연구는 영향을 평가했다. 용해된 이산화탄소와 암석 형성 사이의 자연적인 화학 반응이 더 깊은 깊이로 이산화탄소를 이동시키는 대류 흐름에 끼치는 영향을 평가했다. 연구진은 이산화탄소의 행동 양식이 암석 형성의 화학적 조성에 강력하게 의존한다는 사실을 확인했다. 용해된 이산화탄소의 흐름이 탄산염암에서 지속되는 한편, 규산염이 풍부한 암석에서 화학적 상호작용(chemical interactions)은 이러한 이동을 비약적으로 축소하고, 심지어 방해할 수 있다. 예를 들면, 칼슘 장석(calcium feldspar)이 풍부한 암석 모암에 대하여, 대류 흐름은 이동이 시작된 후 단 2개월 만에 완벽하게 중단될 수 있다. 이후 이산화탄소는 훨씬 더 느린 확산 공정에 의해 깊은 곳으로 수송될 것이다. 이러한 결과는 탄소 격리와 표면 아래에 용해 속도에 대한 현재 견해에 도전과제가 될 것이다. 저장된 이산화탄소가 수천 년에 이르는 오랜 기간 동안 보다 더 얕은 지역의 지형에 남아 있을 수 있는 반면, 저장소의 더 깊은 지역은 실제로 탄소가 없는 상태로 남아 있을 수 있다는 사실을 이 연구는 제안했다. 이러한 연구 결과는 염분을 포함하는 대수층에 이산화탄소 저장에 대한 중요한 실용적인 암시를 나타낼 수 있으며, 가장 효과적인 위치를 스크리닝하는데 정보를 제공할 수 있다. 새로운 지역의 스크리닝은 저장소의 크기와 위치뿐 아니라 암석의 광물학(mineralogy)이 포함될 필요가 있을 것이라고 Cardoso는 밝혔다. 현재 연구는 광물학이 이산화탄소가 어디에 최종적으로 도달하는지, 어떤 광물학이 연구되기 위하여 남아 있는지 등을 단순하게 보여 주었다. 그림1> 지구화학적 반응에 의하여 형성되는 핑크색 확산 경계층의 진화. 3010896_nanowerk_20150106_FIG1.jpg http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=38592.php