지구 온난화 문제는, 우리 사회 각 지역의 기후를 배경으로 형성되어 있습니다. 그 기후가 지구 규모에서 우리가 경험한 적이 없는 것으로 바뀌어 갑니다. 현재 지구는 지난 1400년 이래 가장 따뜻해지고 있습니다. 이 지구 규모에서 기온이나 해수 온도가 상승하고 빙하와 빙상이 감소하는 현상, 즉 지구 온난화는 평균적 기온의 상승뿐만 아니라, 이상 고온(폭염)과 호우·가뭄의 증가 등 다양한 기후의 변화를 동반하고 있습니다. 그 영향은 생물 활동의 변화와 수자원과 농작물에 미치는 영향 등 자연 생태계와 인간사회에 이미 나타나고 있습니다. 미래 지구의 기온은 더욱 상승할 것으로 예상되고, 물, 생태계, 식량, 해안, 건강 등으로 더 심각한 영향을 줄 것으로 생각됩니다. 이러한 지구 온난화에 따른 기후 변화가 가져오는 다양한 자연·사회·경제적 영향에 대해 세계 각국과의 협력 체제를 구축하고, 해결책을 찾지 않으면 안 됩니다. 이것이 지구 온난화 문제입니다. 지구 온난화의 원인은, 20세기 중반 이후에 볼 수 있는 세계적인 기온 상승, 즉 현재 문제가 되는 지구 온난화의 주된 원인은 인간 활동에 의한 온실가스의 증가가 가능성이 매우 크다고 생각합니다. 대기 중에 포함된 이산화탄소 등의 온실가스에는 바다와 육지 등의 지구 표면으로부터 지구 밖을 향하는 열을 대기에 축적하고, 다시 지구의 표면으로 되돌리는 성질(온실)이 있습니다. 18 세기 중반 산업 혁명이 시작된 이후 인간 활동에 따라 화석 연료의 사용과 산림의 감소 등으로 대기 중 온실가스의 농도는 급격하게 증가했습니다. 이 급격하게 증가한 온실가스에 의해 대기의 온실 효과가 강해진 것이 지구 온난화의 원인이라고 생각하고 있습니다.

지구의 대기에는 이산화탄소 등의 온실가스라고 불리는 기체가 약간 포함되어 있습니다. 이 기체는 적외선을 흡수하고, 다시 방출하는 성질이 있습니다. 이 성질 때문에, 태양 빛으로 데워진 지구 표면에서 지구 밖에 향하는 적외선의 대부분이 열로서 대기에 축적되어 다시 지구 표면에 돌아옵니다. 이 돌아온 적외선은 지구 표면 부근의 대기를 따뜻하게 합니다. 이것을 온실 효과라고 부릅니다. 온실 효과가 없다면 지구 표면의 온도는 영하 19℃로 추정되지만, 온실 효과 때문에 현재 세계의 평균 기온은 약 14℃로 되어 있습니다. 대기 중의 온실 효과 가스가 증가하면 온실 효과가 강해져, 지구 표면의 온도가 높아집니다. 인간 활동으로 증가한 주요 온실가스는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 프레온 가스가 있습니다. 이산화탄소는 지구 온난화에 미치는 영향이 가장 큰 온실가스입니다. 석탄과 석유의 소비, 시멘트 생산 등으로 대량의 이산화탄소가 대기 중으로 방출됩니다. 또한, 대기 중 이산화탄소의 흡수원인 산림이 감소하고 있습니다. 이러한 결과로 대기 중 이산화탄소는 해마다 증가하고 있습니다. 메탄은 이산화탄소 다음으로 지구 온난화에 미치는 영향이 큰 온실가스입니다. 메탄은 습지 나 연못, 논에서 시든 식물이 분해할 때 발생합니다. 가축의 트림에 메탄이 ​​포함되어 있습니다. 이 밖에 천연가스를 채굴하기 때에도 메탄이 발생합니다.

이산화탄소의 대기 중 농도는 지난 수백 년 동안 280ppm 정도였지만, 18세기 중반부터 상승하기 시작, 특히, 최근 수십 년에 급격히 증가하고 있습니다. 이것은 동력 등의 연료로 석탄과 석유가 대량으로 사용되었기 때문입니다. 이산화탄소 이외의 온실가스 (메탄, 아산화질소 등)도 마찬가지로 18세기 중반부터 급격하게 증가하고 있습니다. 이것은 증가한 인구를 지원키 위해 농업과 축산업 등의 활성화에 따른 경작지의 확대, 비료 사용의 증가 가압 가축의 증가 등에 의한 것으로 생각되고 있습니다.

각설하고, 이산화탄소는 콘크리트에 해가 되기도 하지만 이익을 주기도 합니다. 시멘트의 탄산화-경화 메커니즘은 일리노이 대학교에서 이미 1970년대에 체계적으로 연구되었고, 내용은 다음과 같습니다. 시멘트의 주요 광물 가운데 하나인 규산칼슘은 물의 존재하에서 탄산칼슘과 규산칼슘 수화물 겔을 형성합니다.

3 CaO·SiO2 + (3-x) CO2 + y H2O → x CaO·SiO3·y H2O + (3-x) CaCO3

2 CaO·SiO2 + (2-x) CO2 + y H2O → x CaO·SiO3·y H2O + (2-x) CaCO3

또한, 시멘트 페이스트에 존재하는 수산화칼슘은 이산화탄소와 반응합니다.

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

시멘트의 Ca2+ 이온은 이산화탄소에서 나오는 CO32- 이온을 만나 수성 상태에서 진행됩니다.

탄산화 반응은 반응할 때 열이 납니다. C3S 경우 347 kJ/mol, β-C2S 경우 184 kJ/mol, 수산화칼슘의 경우 74 kJ/mol입니다, 수화가 진행된 후 생성된 규산칼슘 수화물(C-S-H)은 CaCO3와 혼합된 것으로 이해하면 됩니다. β-C2S 및 C3S의 경우에도 1기압에서 100% CO2에 노출되면 C-S-H를 형성한다고 알려져 있습니다. 탄산화 반응은 물에 이산화탄소를 용해하면서 시작되고, 탄산화의 초기에 활발한 탄산화 단계는 다음과 같이 설명 할 수 있습니다.

3CaO·SiO2 + 1.2 (H2CO3) → 1.4 CaO·SiO2·0.6 (H2O) + 1.2 (CaCO3) + 0.6 (H2O)

이런 개념을 기업에서의 적용 사례는, 콘크리트 2차 제품에서 탄산화 양생이 있습니다. 쉽게 이야기하면 증기양생이 진행되는 동안 이산화탄소가 들어가면 상기와 같은 반응이 진행되어 조직이 치밀하게 되고, 이로 인해 강도가 올라간다는 개념입니다. 초기에는 적용되는 듯하다가 경제성 문제로 그 이상의 진행은 없었습니다. 최근에는 해외에서 레미콘에 적용이 활발하게 이루어지고 있습니다. 화학공장이나 석유 플랜트로부터 CO2를 저가로 구입하고, 그것을 믹서에 투입하여 강도를 올리는 개념입니다. 결국 강도가 올라간 만큼 시멘트량이 저감되므로 경제성을 갖고, 또한 이산화탄소를 감소시키므로 지구환경 기여에 엄청 효자가 됩니다. 이 기술은 2007년도에 개발되었고, 지금은 캐나다, 미국, 싱가포르 등에서 활발하게 사업을 전개하고 있습니다. 이 회사의 목표는 전 세계의 모든 콘크리트 생산에 대한 이산화탄소 제거 기술 표준을 만드는 것이고, 기술 포트폴리오의 모든 잠재력을 실현함으로써 매년 500메가톤의 탄소 배출량을 절약한다는 것입니다. 이는 1억 대의 차량을 도로에서 빼내는 것과 같은 효과입니다. 끝으로, 차기에는 이렇게 성공적으로 진행되는 프로젝트의 상세 소개와 최근 각국에서 전개하고 있는 탄소 중립과 연결하여 좀 더 자세히 알아보는 시간을 만들도록 하겠습니다. (이상)