밀폐형 챔버를 활용한 수중 이산화탄소 용해 농도 측정 = Measurement of Dissolved Carbon Dioxide Concentration in Water Using a Sealed Chamber

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the effects of climate change caused by global warming intensify, carbon dioxide mitigation technologies, particularly Carbon Capture, Storage and Utilisation (CCUS), have received considerable attention. Techniques that dissolve carbon dioxide in water for resource utilisation have demonstrated potential in applications such as concrete mixing water, microalgae cultivation, and plant growth promotion. Therefore, precise measurement of dissolved CO2 concentration in water is essential for optimising and ensuring the reliability of these technologies. In aqueous environments, carbon dioxide is present not only as CO2(aq) but also as inorganic carbon species, including carbonic acid (H2CO3), bicarbonate ions (HCO3-), and carbonate ions (CO32-). Conventional measurement methods do not fully address this complex chemical speciation. The widely used CGP-31 sensor detects only molecular CO2(aq) and H2CO3 and is limited to concentrations up to 1,490 mg/L. Alkalinity-based calculation methods are prone to errors due to uncertainties in reaction variables, complicating the accurate determination of inorganic carbon concentration. Additionally, existing chamber techniques have primarily been used to analyse soil and atmospheric gas emissions, rather than to measure concentrations of gases dissolved in water. Given the technical challenges in directly measuring inorganic carbon concentration in water, this study quantified it by assessing both the total injected CO2 and the emitted CO2 concentrations using a sealed-chamber system. The sealed chamber was specifically designed to determine the concentration of dissolved CO2 in water, encompassing all inorganic carbon forms. Equipped with a flowmeter and gas analyser, the chamber facilitated measurement of both the total injected and released CO2. The dissolved inorganic carbon concentration was then calculated using a mass-balance approach by subtracting the emitted concentration from the total injected concentration. This method accounts for CO2(aq), H2CO3, and ionised species such as HCO3- and CO32-, thereby providing a quantitative analytical technique that addresses the limitations of sensor-based measurement methods. To assess the airtightness of the constructed chamber, CO2 was injected for a predetermined period, and the total amount injected was compared with the amount retained within the chamber. The internal CO2 concentration was also monitored after injection stopped. Results indicated that the CO2 concentration within the chamber increased linearly with injection time and remained stable after injection ceased, demonstrating no loss of CO2 from the system. Minor discrepancies between the total injected and measured internal concentrations were attributed to unit-conversion errors. Therefore, the sealed chamber developed in this study was confirmed to be leak-free and highly airtight. Following verification of the chamber’s airtightness, the dissolved CO2 concentration in water was analysed. Continuous CO2 injection into tap water resulted in a gradual increase in dissolved inorganic carbon concentration, reaching equilibrium at approximately 60 minutes, after which no further dissolution occurred. At equilibrium, the dissolved inorganic carbon concentration measured by the sealed chamber was 1,249 mg/L, corresponding to a solubility of 29.9%. Additionally, the system effectively quantified ionised species (HCO3- and CO32-) that are not detectable using conventional sensors such as the CGP-31. To investigate the impact of nanobubble technology on CO2 dissolution, additional experiments were conducted using nanobubbles. The application of nanobubbles resulted in a substantial increase in dissolved CO2 concentration, approximately 1.5-4 times higher than in tap water under identical conditions. At 60 minutes, when tap water had reached its dissolution limit, nanobubble-treated water exhibited a dissolved inorganic carbon concentration of 2,100 mg/L (53.5% solubility). Unlike tap water, dissolution in nanobubble-treated water continued for more than 60 minutes, reaching a supersaturated state at 180 minutes with a concentration of 5,488 mg/L and a solubility of 47.7%. This enhanced dissolution is attributed to CO2 remaining dissolved for extended periods within the interfacial spaces of individual nanobubbles, thereby facilitating sustained interaction with water molecules and resulting in significantly higher solubility than in tap water. This study demonstrates that dissolved inorganic carbon in water can be accurately quantified using the developed sealed-chamber system. The findings are expected to provide foundational data for estimating carbon storage capacity in water and for optimising systems within the CCUS sector.

국문 초록 (Abstract)

지구 온난화로 인한 기후변화의 피해가 극심해짐에 따라 이산화탄소를 저감하기 위하여 CCUS(Carbon Capture, Storage & Utilization, 탄소 포집 및 저장, 재이용) 기술이 주목받고 있다. 최근 수중에 이산화탄소를 용해시켜 자원화 하는 기술은 콘크리트 배합수, 미세조류 배양 및 식물 생장 촉진 등 여러 분야에서 잠재력이 높게 평가되고 있다. 이에 따라 기술의 최적화 및 신뢰성을 확보하기 위하여 수중 이산화탄소의 정확한 용해 농도를 측정이 필요한 상황이다. 수중 이산화탄소는 CO2(aq) 뿐만 아니라 탄산(H2CO3), 중탄산 이온(HCO3-), 탄산 이온(CO32-)의 무기탄소 형태로 존재하기 때문에, 기존의 측정 방식은 이러한 복합적인 화학적 존재 형태를 모두 반영하지 못한다는 한계점을 갖고 있다. 일반적으로 활용되는 수중 이산화탄소 측정 센서(CGP-31)는 분자 형태의 CO2(aq)와 H2CO3만을 감지할 수 있으며 최대 1,490 mg/L의 농도 범위 내에서만 측정이 가능하며, 알칼리도 기반 농도 계산법은 반응식의 변수가 오차에 민감하여 실제 무기탄소 농도를 정확히 산정하기 어렵다. 또한, 기존 챔버법은 주로 토양 및 대기 중 기체 배출량 분석에 활용되어 수중 용해된 기체의 농도 측정에는 적용된 사례가 없다. 수중 무기탄소의 농도를 직접적으로 측정하기에는 기술적 한계가 있어 본 연구에서는 이산화탄소의 수중 총주입 농도와 배출 농도를 측정하여 수중에 존재하는 무기탄소의 농도를 정량적으로 구하고자 하였다. 수중 무기탄소 형태로 용해되어 있는 이산화탄소의 정확한 농도를 측정하기 위하여 밀폐형 챔버를 구축하였으며, 구축된 챔버는 유량계 및 가스 측정기가 설치되어 있어 이산화탄소의 수중 총주입 농도 및 배출 농도의 측정이 가능하다. 이를 토대로 Mass Balance 계산(총주입 농도–배출 농도)을 실시하여 수중에 용해되어 있는 무기탄소의 농도를 산정하였다. 본 방법은 CO2(aq)와 H2CO3 뿐만 아니라 HCO3- 및 CO32-의 이온화 형태까지 포함한 총량을 계산하기 때문에, 기존 센서 기반 방식의 불완전성을 보완하는 정량적 분석 방법이 될 수 있다. 구축된 챔버의 기밀성을 평가하기 위하여 일정 시간 동안 챔버 내부로 이산화탄소를 주입하였으며, 이산화탄소의 총주입량과 챔버 내부량을 비교하였다. 또한, 이산화탄소를 챔버 내부로 주입하고 중단한 이후 챔버 내부 존재하는 이산화탄소량의 변화를 확인하였다. 실험 결과, 챔버 내부 이산화탄소량은 주입 시간에 비례하여 선형적으로 증가하였고, 주입이 중단된 이후에는 이산화탄소량이 감소하지 않고 일정하게 유지되는 것으로 확인되었다. 또한, 이산화탄소의 총주입량 및 내부량의 미세한 차이는 단위 환산 과정에서 발생되는 오차로 판단됨에 따라 본 연구에서 구축된 밀폐형 챔버는 가스 누출이 없으며 기밀성이 우수한 것으로 검증되었다. 밀폐형 챔버의 기밀성이 확보된 이후, 수중 이산화탄소 용해 농도 분석을 실시하였다. 일반수를 원수로 사용한 실험에서 이산화탄소를 지속적으로 주입한 결과, 시간이 경과함에 따라 수중 무기탄소 농도가 점진적으로 증가하였으며, 60분 이후로는 평형 상태에 도달하는 더 이상 수중에 용해되지 않는 것으로 확인되었다. 용해 한계에 도달하는 60분 시점에서 밀폐형 챔버를 통해 측정된 수중 무기탄소 농도는 1,249 mg/L이며, 29.9 %의 용해도를 가진다. 또한, 기존 센서 방식(CGP-31)으로는 측정이 불가능한 이온화 형태(HCO3- 및 CO32-)의 영역까지 안정적으로 분석할 수 있음을 확인하였다. 나노버블이 수중 이산화탄소 용해 성능의 미치는 영향을 확인하기 위하여 나노버블 기술을 적용한 실험을 추가적으로 수행하였다. 나노버블을 활용한 경우, 동일한 조건의 일반수 대비 약 1.5배에서 최대 약 3배까지 높은 이산화탄소 용해 농도를 확보할 수 있었다. 일반수에서 용해 한계에 도달하였던 60분 시점에서 2,100mg/L의 무기탄소가 용해되었으며, 53.5 %의 용해도를 나타냈다. 나노버블을 활용할 경우 60분 이후로도 이산화탄소의 용해가 가능하며, 180분 시점에서 수중 이산화탄소의 과포화 상태에 도달하여 더 이상 용해되지 못하는 것으로 확인되었으며, 이때 무기탄소 농도는 5,488 mg/L로, 47.7%의 용해도를 가진다. 이는 서로 독립을 유지하는 나노버블 간의 공간 사이로 이산화탄소가 장기간 용해되며, 물 분자와의 반응이 지속되어 일반수 대비 높은 이산화탄소 용해도를 가지는 것으로 판단되었다. 본 연구를 통해 구축된 밀폐형 챔버를 이용하여 수중 무기탄소의 정확한 농도를 측정할 수 있으며, CCUS 분야에서 수중 탄소 저장량 산정 및 시스템의 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 내용 및 범위 4
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 1. 탄소중립 및 이산화탄소 저감 기술 5
• 1.1. 탄소중립 5
• 1.2. 이산화탄소 저감 기술 동향 6
• 2. 수중 이산화탄소 용해 9
• 2.1 수중 기체 용해 메커니즘 9
• 2.2 수중 이산화탄소 용해 활용 사례 10
• 2.3 기존 수중 이산화탄소 용해 15
• 2.4 나노버블을 이용한 수중 이산화탄소 용해 17
• 3. 수중 이산화탄소 용해 농도 분석 22
• 3.1 수중 이산화탄소 용해 메커니즘 22
• 3.2 기존 수중 무기탄소 용해 농도 분석 방법 23
• 4. 챔버(Chamber) 27
• 4.1 열린챔버(Flow-through Chamber) 27
• 4.2 닫힌챔버(Closed Chamber) 28
• 5. 챔버를 활용한 연구 사례 30
• 5.1 토양의 온실가스 배출량 측정 30
• 5.2 실내식물의 이산화탄소 저감 효과 32
• 5.3 작물의 광합성 및 이산화탄소 소비량 측정 33
• 5. Mass Balance 35
• 제 3 장 실험 장비 및 방법 37
• 1. 실험장비 37
• 2. 밀폐형 챔버 설계 및 구축 41
• 2.1 밀폐형 챔버 및 센서 구축 41
• 2.2 기체 측정 단위 환산 방법 49
• 3. 밀폐형 챔버의 기밀성 평가 52
• 4. 수중 이산화탄소 용해 농도 분석 54
• 5. 나노버블을 활용한 수중 이산화탄소 용해 농도 분석 56
• 제 4 장 실험 결과 57
• 1. 밀폐형 챔버의 기밀성 평가 결과 57
• 1.1 이산화탄소의 총 주입량 및 밀폐형 챔버 내부 이산화탄소량 비교 결과 57
• 1.2 시간 흐름에 따른 밀페형 챔버 내부 이산화탄소량 변화 결과 60
• 2. 수중 이산화탄소 용해 농도 분석 결과 62
• 3. 나노버블을 활용한 수중 이산화탄소 용해 농도 분석 결과 65
• 제 5 장 결 론 71
• 참고문헌 73
• Abstract 81