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Jun 09, 2023

석회암

작성자: Brad Buecker, Buecker & Associates, LLC 회장 이는 상식입니다.

작성자: Brad Buecker, Buecker & Associates, LLC 회장

미국과 세계 다른 지역의 많은 석탄 화력 발전소가 기후 변화에 대한 우려로 인해 폐쇄되고 있다는 것은 상식입니다. 그러나 일부 국가에서는 석탄 발전소가 여전히 전기 수요의 상당 부분을 제공하고 있습니다. 그리고 CCS(탄소 포집 및 격리)가 계속해서 발전한다면 일부 석탄 발전소는 앞으로도 수년 동안 우리와 함께할 수 있습니다.

석탄 발전소의 수용 가능성에 대한 견해와 관계없이 이산화황(SO2) 배출을 제한하는 중요한 측면이 있습니다. 이를 수행하는 기술은 수십 년 동안 습식 석회석 세정에 사용되어 왔습니다. 그러나 많은 사람들이 이해하지 못하는 질문은 다음과 같습니다. "매우 중요한 건축 자재이고 물에 대한 용해도가 매우 낮은 이 천연 광물이 어떻게 발전소에서 세정제 역할을 할 수 있습니까?" 이 기사에서는 이 응용 프로그램의 고유한 화학적 성질을 조사합니다.

석회석은 미국을 비롯한 전 세계 여러 지역에서 흔히 발견되는 퇴적물입니다. 석회석의 주요 성분은 탄산칼슘(CaCO3)이며 일부 돌에는 95% 이상의 CaCO3가 함유되어 있을 수 있습니다. 두 번째로 풍부한 것은 탄산마그네슘(MgCO3)인데, 이는 종종 총 탄산염의 작은 비율만을 차지하지만 일부 지층에는 탄산칼슘과 탄산마그네슘(MgCO3·CaCO3)의 동일한 분자 혼합물을 갖는 백운석이 포함될 수 있습니다.

백운석은 스크러버에서 반응성이 다소 낮습니다. 품질이 낮은 석회석에는 석영, 셰일 또는 점토 형태의 규산염과 같은 불활성 광물이 포함되어 있습니다. 일부 돌에는 철 및/또는 탄산망간(FeCO3 및 MnCO3)이 소량 함유되어 있어 세정기 작동의 일부 측면에 영향을 미칠 수 있습니다.

자연수에서 석회석의 반응성을 조사하면 석회석이 세정기에서 잘 작동하는 이유를 이해하는 데 좋은 기초가 제공됩니다. pH 7.0의 순수한 물에 석회석 샘플을 넣는 실험실 실험을 생각해 보십시오. 석회석은 물에 약간만 용해됩니다.

CaCO3 ⇌ Ca2+(aq) + CO32-(aq) Eq. 1

Ksp (25o C) = [Ca2+] * [CO32-] = 4.6 * 10-9 (mol/L)2 Eq. 2

간단한 계산에 따르면 방정식 2에 따른 초기 CaCO3 용해도는 리터당 6.8 * 10-5몰(M)에 불과하며 이는 7mg/L 바로 아래에 해당합니다.

그러나 탄산염은 상대적으로 강한 염기이며 다음과 같이 물과 반응합니다.

CO32- + H2O ⇌ HCO3– + OH– Eq. 삼

이 영향은 방정식 1에 표시된 반응을 다소 오른쪽으로 유도하며, 여기서 전체 반응은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

CaCO3(s) + H2O ⇌ Ca2+ + HCO3– + OH– Eq. 4

CaCO3 용해도(25oC)는 이 효과에 따라 9.9 * 10-5M(~10mg/L)로 증가합니다. 이는 (1) 용해도가 약 1/3 증가하지만 여전히 매우 미미한 수준입니다.

그러나 이 화학은 두 가지 중요한 답이 없는 질문을 남깁니다.

• CaCO3 용해도가 너무 낮다면 왜 많은 자연수 공급원의 알칼리도 농도가 두 자리에서 세 자리 mg/L 범위에 있습니까?• 이러한 물질이 어떻게 연도 가스 세정기에 효과적일 수 있습니까?

이제 살펴보겠지만 대답은 직접적으로 관련되어 있습니다.

지표수에서는 대기 중의 이산화탄소가 다음과 같이 용해됩니다.

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 Eq. 5

용액에 들어가는 양은 헨리의 법칙으로 계산할 수 있습니다.

KH = [H2CO3 (aq)]/P = 3.4 * 10-2 mol/L · atm (25oC), 여기서 Eq. 6 P = CO2의 부분압

현재 대기 중 CO2 농도는 420ppm에 가깝고 이는 0.00042atm으로 계산됩니다. 따라서 중성수의 경우 H2CO3 농도는 약 1.43*10-5M로 그리 크지 않습니다.

연구에 따르면 대부분의 용매화된 이산화탄소는 CO2로 남아 있으며 해리되지 않습니다. 그러나 다음 반응에서는 소량이 해리됩니다.

H2CO3 ⇌ HCO3– + H+ Eq. 7