CO₂ 넣어서 만드는 시멘트…기후 위기 해결에 보탬될까

▲시멘트 제조 과정에서 이산화탄소(CO₂)를 투입할 경우 시멘트 강도가 높아지고, 온실가스 감축 효과도 있는 것으로 보고됐다. (자료=챗GPT)

시멘트는 전 세계 온실가스 배출량의 약 8%를 차지하는 대표적인 탄소 다배출 산업이다. 특히 석회석을 고온에서 소성하는 과정에서 대량의 이산화탄소(CO₂)가 발생해 탈탄소화가 쉽지 않은 산업으로 꼽힌다.

이런 시멘트 산업이 탄소를 배출하는 산업에서 오히려 탄소를 저장하는 산업으로의 전환을 모색하고 있다.

최근 발표된 두 건의 연구는 시멘트 생산 과정에 CO₂를 적극적으로 활용하면 탄소 배출을 줄이는 데 그치지 않고, 시멘트 자체를 탄소 저장고로 만들면서 강도까지 높일 수도 있음을 보여준다.

◇CO₂를 넣었더니 오히려 더 단단해졌다

미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 마르신 하이두체크 연구원과 어드미르 마식 교수 연구팀은 인도 조드푸르 공대 및 탄소저장 기술기업 카본큐어(CarbonCure) 연구진과 함께 시멘트 경화 과정에 CO₂를 주입했을 때 발생하는 화학적 변화를 분석했다. 연구 결과는 지난 6월 '미국 세라믹학회 저널(Journal of the American Ceramic Society)'에 게재됐다.

연구팀은 CO₂가 시멘트 내부에서 단순히 갇히는 것이 아니라, 시멘트의 미세구조 형성 과정 자체를 변화시킨다는 점에 주목했다.

시멘트 혼합 과정에서 CO₂를 주입하면 CO₂가 시멘트 내부의 칼슘 이온과 빠르게 반응해 나노 크기의 탄산칼슘 입자를 형성한다. 이 과정에서 칼슘이 빠져나간 자리에 일시적으로 실리카 겔(silica gel) 네트워크가 만들어진다.

이 실리카 겔은 일종의 '템플릿' 역할을 한다. 이후 생성되는 주요 시멘트 결합재인 칼슘 규산염 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H)가 보다 균일하게 분포하고 높은 중합도를 갖도록 유도한다.

그 결과 CO₂를 주입한 시멘트의 24시간 압축강도는 일반 시멘트보다 약 13% 높아졌다.

이는 CO₂를 시멘트에 주입하는 기술이 단순한 탄소 저장 수단을 넘어 시멘트의 미세구조와 기계적 성능까지 개선할 수 있음을 의미한다.

◇탄소 포집 공장과 시멘트 공장을 하나로

시멘트 산업의 탄소 문제를 공정 전체 차원에서 해결하려는 연구도 나왔다.

스위스 취리히 연방공과대학교(ETH Zurich) 안드레 바르도우 교수 연구팀은 지난달 '순환 화학(Chem Circularity)' 저널에 탄소 포집과 시멘트 생산을 통합하는 시스템의 환경 영향을 분석한 연구를 발표했다.

핵심은 '칼슘 순환 공정(calcium looping)' 기술이다. 칼슘 기반 물질을 이용해 CO₂를 포집한 뒤 이를 다시 시멘트 생산에 활용하는 방식이다.

연구팀은 탄소 포집 과정에서 사용된 칼슘 화합물을 폐기하지 않고 시멘트 생산에 필요한 원료로 다시 투입하는 통합 시스템을 제안했다. 탄소 포집과 시멘트 생산을 별개의 공정으로 보지 않고 하나의 순환 시스템으로 연결한 것이다.

생애주기평가(LCA) 결과도 주목할 만하다. 연구팀은 이 시스템을 적용하면 2050년까지 시멘트 1톤 생산당 탄소발자국을 약 -0.15톤 CO₂ 수준까지 낮출 가능성이 있다고 분석했다.

탄소발자국이 마이너스라는 것은 시멘트 생산 과정에서 발생하는 배출량보다 포집·저장하는 CO₂가 더 많아질 수 있다는 의미다. 이른바 '넷-네거티브(net-negative) 시멘트'​의 가능성이 제시된 셈이다.

다만 이러한 연구 결과가 곧바로 시멘트 산업 전체의 '탄소 네거티브'를 의미하는 것은 아니다. 실제 상용화를 위해서는 CO₂ 포집에 필요한 에너지, 포집·압축·운송 비용, 원료와 공정 조건, 장기적인 탄소 저장 안정성, 그리고 대규모 생산에서의 경제성 등을 종합적으로 검증해야 한다.

◇'탄소 저장'과 '강도 향상' 동시에 노린다

두 연구는 서로 다른 규모에서 시멘트 산업의 탈탄소화 가능성을 보여준다.

ETH 취리히 연구가 탄소 포집과 시멘트 생산을 하나의 시스템으로 통합해 대규모 탄소 제거를 가능하게 하는 공정적 경로를 제시했다면, MIT 연구는 포집된 CO₂가 시멘트 내부에서 어떤 방식으로 광물화되고 미세구조를 변화시키는지를 보여줬다.

특히 중요한 점은 탄소 감축과 소재 성능 향상을 동시에 추구할 수 있다는 것이다.

덕분에 지금까지 시멘트 산업에서 CO₂는 제거해야 할 '배출물'이었다면 앞으로는 이를 생산 과정에 다시 투입해 시멘트 내부에 고정하고, 나아가 소재 성능까지 높이는 '원료'로 바라볼 수 있게 된 셈이다.

탄소 배출의 대표적인 산업으로 지목돼 온 시멘트가 기후위기 대응의 새로운 수단으로 변신할 수 있을지 주목된다.

강찬수 기후환경 전문기자 kcs25@ekn.kr