석탄 화력 발전소(coal-fired power plants)는 가정을 난방 및 냉각시키지만, 석탄 연소는 미래 관리될 필요가 있는 이산화탄소(carbon dioxide)를 배출한다. 이산화탄소의 격리는 이산화탄소를 포획하여 다른 오염물질에서 이산화탄소를 분해 및 압축하여 최종적으로 지하 저장소로 투입하는 것을 의미한다. 종래의 그림에서 마지막 단계는 이산화탄소가 물과 이산화탄소가 만나는 지하로 흘러 들어가 탄소를 가두는 광물성 형성인 탄산(carbonic acid)을 형성하는 것이다. 미국 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(PNNL; Pacific Northwest National Laboratory) 소속의 4명의 연구진은 이러한 통상적인 지식을 규명하는 연구를 제안했다.
매우 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여, 연구진은 원하는 광물 또는 탄산염(carbonate)이 물이 흐르는 탄산(water-slurping carbonic acid) 없는 조건에서조차 형성될 수 있다는 사실을 발견했다. 대신, 소량의 물이 필요하지만, 소량의 물이 바로 정확한 지점에 있을 필요가 있다. 액체 탄산(carbon dioxide liquid)을 얻기 위하여, 10,000개의 이산화탄소에 대하여 1 물 분자의 낮은 농도에서 조차 물은 목표 광물 주변의 매우 얇은 층을 형성하고, 이 사례에서는 회장석(anorthite)이다. 일단 층이 형성되면, 물은 광물 표면에서 침식을 시작하고, 작은 원자성 공극을 남긴다. 이산화탄소가 들어가면, 이러한 빈 지점에 이산화탄소가 채워져 몇 분 이내에 광물화가 진행된다.
광물화 공정의 전통적인 모습은 탄산과 호스트 저장 암석 사이의 화학 반응이 매우 느리고 수 세기 또는 천년에 걸쳐 상당한 양의 주입된 이산화탄소를 탄산염으로 전환시키는 과정이 포함된다. 이 연구는 물에서 탄산 형성이 훨씬 더 신속한 탄산염 광물을 형성하는 2차적인 완전하게 독립적인 경로를 보여주었다. 이러한 신속한 경로는 장기적인 탄소 저장에 중요한 역할을 수행하는 비약적으로 개선된 측면의 광물화(mineralization)라고 이 프로젝트 책임자이며 PNNL 연구원 중 한 사람인 Pete McGrail은 밝혔다.
그리고 탄소 격리는 이 연구로부터 얻은 이득의 일부에 불과하다. 이 연구가 묻혀있는 계면에 대한 견해를 제공하기 때문이다. 탄소 저장에서, 이산화탄소가 목표 광물과 만나는 지점은 묻혀있고 실험만으로 접근하기 어렵다.
이 연구는 이러한 계면을 어떻게 시뮬레이션하는지, 관여하는 에너지를 어떻게 산출하는지를 보여주고 있으며, 이러한 연구를 통하여 보다 더 효율적인 배터리, 바이오연료 반응기 및 태양 전지 등으로 이어질 수 있는 가능성을 열 수 있다.
Vanda Glezakou와 그녀의 동료 연구진인 Mal-Soon Lee, McGrail 및 Roger Rousseau 등은 탄소 격리의 미묘한 차이를 조사하였으며, 원자 및 분자 수준의 세부 사항은 공기로부터 기체성 이산화탄소를 제거하고, 제거된 이산화탄소를 고체 형태로 보유하는 방안에 대하여 자연을 모방하는 것이 관여했다. 이 사례에서 고체 형태는 광물성 탄산염(mineral carbonate)이다.
연구진은 일반적인 규산염 광물인 회장석 표면에 대한 전하에 관심을 가졌다. 규산염 광물은 건조하기 위하여 노출된 후 또는 물이 포화된 초임계 이산화탄소에 노출된 후 액체처럼 광물을 용해시키지만 기체처럼 고체를 통과하여 이동한다.
DOE 슈퍼컴퓨팅 시스템을 이용하여, 연구팀은 광물화 공정(mineralization process)을 이해하기 위하여 매우 세부적인 시뮬레이션을 운영했다. 연구는 반응 자유 에너지를 추정하기 위하여 수백만의 다른 구조에서 수천 개의 전자의 움직임과, 수백 개의 원자의 핵의 움직임을 추적하는 궤적 시뮬레이션(trajectory simulations)을 포함한다. 이러한 과정이 수행하기 쉬운 시뮬레이션은 아니라고 Rousseau는 밝혔다.
시뮬레이션은 막에서 자발적으로 조직되는 초임계 이산화탄소 주변에서 물 분자가 어떻게 떠 있는지와 회장석 표면을 따라 용해된 부분을 보여주었다. 물은 구멍 또는 결함을 생성하기 위하여 양으로 하전된 칼슘 양이온(calcium cation)을 당긴다. 이러한 결함 주변에 음으로 하전된 산소 원자가 자리 잡고 있다. 이러한 원자들은 유입되는 이산화탄소와 신속하게 연결되어 원하는 광물을 형성한다.
물 층은 낮은 농도에서 느리게 형성되지만, 일단 이러한 과정이 일어나면, 이산화탄소가 신속하게 변형하기 위한 단계를 준비한다.
다음은 이러한 시뮬레이션으로부터 연구팀은 물 층을 형성하기 위하여 필요한 에너지를 결정하기 위하여 필수적인 자료를 추출하기를 원했다. 연구진은 반응이 에너지 추진 없이 일어나지만, 물이 들어올 때 물 분자의 위치가 먼저 물이 커질 때 막에 연결되는 물의 웅덩이를 형성한다.
많은 실험이 광물 표면에 탄산에 관심을 가졌다고 Lee는 밝혔다. 우리는 이러한 현상이 어떻게 일어나는지, 어떻게 이러한 광물 형성에 관여하는 에너지를 산출하는지를 보여주었다고 Lee는 밝혔다.
연구진의 공식은 이러한 유형의 전산 연구에서 종종 간과됐던 상당한 결과를 도출했다고 Glezakou는 밝혔다. 연구진의 접근은 에너지 저장에서 제조 및 물 정수 등에 이르는 많은 응용에 사용될 수 있다고 Glezakou는 밝혔다.
Getting water to all the right places for carbon sequestration
Coal-fired power plants work hard to heat and cool homes, but burning coal releases carbon dioxide that will need to be managed in the future. Sequestering the gas can mean capturing it, stripping it away from other pollutants, compressing it, and finally injecting it into underground reservoirs. The conventional picture is that, in the last step, the carbon dioxide flows underground where it encounters water and forms carbonic acid, leading to mineral formations that trap the carbon. At Pacific Northwest National Laboratory, four scientists just turned that wisdom upside down.
Using extremely detailed computer simulations, they found the desired minerals, or carbonates, can form even without water-slurping carbonic acid. Instead, just a small amount of water is needed, but it needs to be in the right spot. Coaxed out of the carbon dioxide liquid, even at the low concentrations of 1 water molecule for every 10,000 carbon dioxides, the water forms an extremely thin layer around the target mineral, in this case, anorthite. Once the layer forms, water starts eating away at the mineral surface, leaving tiny atomic voids. Enter carbon dioxide, filling in those empty spots and mineralizing in minutes.
The traditional view of the mineralization process involves some very slow chemical reactions between carbonic acid and the host reservoir rock that take centuries or even millennia to convert a significant amount of injected carbon dioxide into carbonates. "This work shows a second, completely independent pathway to form carbonate minerals that is much faster than through carbonic acid formation in water thus dramatically improving prospects for mineralization to play a significant role in long-term carbon storage," said Pete McGrail, a PNNL Laboratory Fellow and manager of the project.
And carbon sequestration is just the tip of the benefits that could come from this study. Why? Because the work provides insights into buried interfaces. In carbon storage, the spot where the carbon dioxide meets the target minerals is buried and hard to access by experiment alone.
Think of it like trying to study what happens to an orange's seeds. You can't get to the spot where the seeds meet the surrounding fruit, the interface, without ripping apart the fruit. This study shows how to simulate these interfaces and calculate the energy involved—potentially leading to more efficient batteries, biofuel reactors, and solar cells.
Vanda Glezakou and her colleagues Mal-Soon Lee, McGrail, and Roger Rousseau were investigating the nuances of carbon sequestration, the atomic and molecular details involved in mimicking Mother Nature's ability to remove gaseous carbon dioxide from the air and hold it in a solid form. In this case, the solid form is the mineral carbonate.
They had an interesting set of results regarding the charges on the anorthite surface, a common silicate mineral, after it was exposed to dry or water-saturated supercritical carbon dioxide, which dissolves materials like a liquid, but moves through solids like a gas.
Using DOE supercomputing systems, the team ran extremely detailed simulations to understand the mineralization process. The studies included trajectory simulations that tracked the motion of thousands of electrons and nuclei of hundreds of atoms in millions of different structures to estimate the reaction free energy.
"These are not easy simulations to perform," said Rousseau. "This was something the scientific community couldn't do—even just five years ago."
The simulations showed how water molecules floating around in the supercritical carbon dioxide self-organize in a film and dissolve part of the anorthite surface along the way. The water pulls out positively charged calcium cations to create holes, or defects. Around these defects sit negatively charged oxygen atoms. These atoms quickly connect up with the incoming carbon dioxide and form the desired mineral.
The water layer forms slowly at low concentrations, but once in place, it prepares the stage for carbon dioxide to transform quickly.
Next, from these simulations, the team wanted to extract the necessary data to determine the energy needed to form the water layer. They found that the reaction occurs without an energetic push, but the position of the water molecules as they come in to form first "puddles" of water that connect into a film as they grow bigger.
"Many experimentalists are interested in carbonation in mineral surfaces," said Lee. "We showed how it could happen and the energy calculations involved in this mineral formation."
"Our formulations have significant consequences—for determining the proper reference of many processes—that are often ignored in computational studies of this type," said Glezakou. "Our approach has applications to many things—from energy storage, to manufacturing, to water purification."
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