대기 중 이산화탄소(CO2)의 급속한 증가는 지구온난화를 가중시키며 전 세계적으로 이상기후 현상을 야기하고 있다. 세계 각국에서 기후 변화 문제에 대응하기 위한 이산화탄소 저감 방안으로 이산화탄소 지중 저장 기술(Carbon dioxide Capture and Sequestration)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 국내에서도 CCS 기술 개발을 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 이 중 이산화탄소 지중저장 환경관리 연구단(K-COSEM)은 인위적 이산화탄소 누출 실험(EIT) 부지를 구축하여 지중저장 시설에서 이산화탄소의 잠재적 누출이 토양 및 생태계에 미치는 위해성에 관한 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 실내 실험을 통해 잠재적 이산화탄소 누출 시 이산화탄소-토양-물 반응을 좌우하는 반응 인자를 규명하고, 각 반응인자가 토양 및 지하수의 물리화학적 변화에 미치는 영향을 알아보고자 한다.
실내 실험은 EIT 부지에서 채취한 토양 시료를 입자 크기 63 μm 이하로 입도 분리하여 사용하였으며, 토양의 물리·화학적 특성을 조사하기 위해 비표면적, 구성 광물, 화학 조성 및 구성 원소들의 존재 형태 분석 등을 수행하였다. 토양 용출 실험은 특수 제작된 CO2-glove box (92-95 vol.% CO2, 1-2 vol.% O2), N2-glove box (95 vol.% N2, 5 vol.% H2), 및 대기 중에서 모두 상온 1기압(1 bar) 조건에서 총 21일 동안 용액의 pH (uncontrolled, PCO2 controlled 또는 HNO3/NaOH controlled), 산소 분압(PO2 = 0, 0.01-0.02 또는 0.21 bar), 및 이산화탄소 분압(PCO2 = 0, 10-3.4 또는 0.93-0.96 bar)이 다른 다양한 조건에서 수행하였다. 다양한 분석 장비(XRD, XRF, BET)를 이용한 토양 용출 실험 반응 전후의 토양 특성 분석에서 광물학적 및 화학 조성은 모든 실험 조건에서 유의미한 변화가 나타나지 않았다. 이는 토양 용출 실험에서 전체 토양의 0-3.1 wt.%에 해당하는 적은 양이 용출되었기 때문인 것으로 판단하였다. 다양한 대조 실험을 비교한 결과, 이산화탄소-토양-물 반응을 좌우하는 주요 반응 인자는 용존 이산화탄소의 해리로 인한 용액의 산성화 또는 용존 이산화탄소 농도 증가로 나타났다. 용액의 pH는 이산화탄소에 의해 5.1 ± 0.1에서 4.7 ± 0.1로 감소하며, 산성화된 용액은 토양 내에 존재하는 원소들 중 Si < K < Mn < Ca < Mg 순서로 용해를 더욱 촉진시키는 것으로 나타났다. 또한 이산화탄소 분압(0 vs. 0.93-0.96 bar) 차이에 의한 용존 이산화탄소 농도 증가는 Si < K < Mn < Ca = Mg 순서로 원소 용해를 더욱 촉진시키는 것으로 나타났다. 따라서 이산화탄소의 잠재적 누출에 의한 이산화탄소-토양-물 반응에 영향을 미치는 반응인자는 용액의 pH 또는 용존 이산화탄소 농도임을 규명하였다. K, Mn, Ca은 반응인자의 영향으로 인해 전체 토양 함량에서 각각 0.8 ± 0.2, 1.0 ± 0.9, 2.3 ± 0.7 wt.% 용출되었으며, 이들은 침출이 용이한(exchangeable cations, carbonates and Fe-Mn oxides) 형태에서 용출된 것으로 나타났다. 반면에 Si는 98.8 wt.%가 대부분 residual 형태로 존재하기 때문에 이산화탄소-토양-물 반응의 영향을 거의 받지 않으며 용출 실험 결과 0.1 wt.% 미만이 용출된 것으로 나타났다. 용액 내의 Al과 Fe 농도는 검출한계(0.1 mg/L) 이하로 나타났는데 이는 Al과 Fe가 수산화물 형태로 쉽게 침전되기 때문인 것으로 판단하였다.

Rapid increase of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere strongly links to the global worming and causes the abnormal climatic phenomena. As global climate changes become more serious, the current studies have considered the Carbon dioxide Capture and Sequestration (CCS) techniques to mitigate the release of CO2. To develope the CCS technologies in Korea, K-COSEM research center constructs the Environmental Impact evaluation Test facility (EIT) site to investigate the potential impacts of CO2 leakage on soil environments and ecosystems. In this study, laboratory batch experiments were conducted to examine the factors controlling the CO2(g)-soil-water interactions and to investigate the effect of each factors affecting the geochemical changes of soil and groundwater.
Soil samples were collected from the EIT site and sieved under 63 μm for the batch experiments and characterization of soil physico-chemical properties such as surface area, mineralogy, chemical composition of bulk and of soil fractions. The batch experiments were conducted for 21 days under CO2-glove box, N2-glove box or atmospheric pressure, and experimental conditions of solution pH and different partial pressure of O2 or CO2. Significant changes of mineralogical and geochemical properties of initial and residual soils were not detected in 21 days experiments. The major controlling factor affecting CO2(g)-soil-water interactions was increased solution acidity by intrusion of CO2 or increased aqueous concentration of dissolved carbon content by dissolution of CO2. The acidified solution could enhance the dissolution of elements in order of K < Mn < Ca < Mg. The increased aqueous concentration of dissolved CO2 could also enhance the dissolution of elements in order of K < Mn < Ca = Mg. This study investigated the release of K, Mn and Ca from easily leachable fractions such as exchangeable cations, carbonates and Fe-Mn oxides by the effects of CO2(g)-soil-water interactions. On the other hand, since 98.8 wt.% of Si existed mainly in residual fraction, the dissolution of Si was rarely affected by CO2(g)-soil-water interactions. The concentration of Al and Fe in solution was below detection limit (0.1 mg/L) in all experimental conditions since Al and Fe could easily precipitate in the hydroxide forms.