화우나노텍 주식회사

친환경 중화제

나노버블 이산화탄소수.

나노버블을 활용한

CCUS 탄소 저장 기술 효율 극대화.

이산화탄소 나노버블을 통한

전기, 수소 생산 효율 극대화.

지구의 균형을 되찾는 기술,

이산화탄소 나노버블로 가치를 더하다.

석유화학 NCC 공정에서 발생하는 ‘강알칼리 폐수’

화우나노텍의 CO₂ 나노버블로 마침표를 찍다.

이산화탄소 나노버블을 통한

전기, 수소 생산 효율 극대화.

NCC(Naphtha Cracking Center)는 원유에서 나온 ‘나프타’를 800~900℃로 가열하여 에틸렌, 프로필렌등 석유화학 기초 원료를 생산하는 핵심 시설입니다.

Naphtha (나프타): 원유를 증류(약 30~200℃ )했을 때 나오는 중간 단계의 액체 원료
Cracking (크래킹): '깨뜨리다', '분해하다'라는 뜻입니다. 긴 탄소 사슬을 가진 나프타 분자에 열을 가해 짧고 가벼운 분자로 쪼개는 핵심 기술을 의미
Center (센터): 분해로(Furnace)부터 분리탑까지 여러 단위 공정들이 모여 있는 집합체

NCC 가열로에서 나온 생성 가스 중의 산성 불순물(H₂S, CO₂ 등)을 제거하기 위해 '알칼리 세정탑'에서 수산화나트륨(NaOH)을 사용합니다.

이 과정에서 사용된 NaOH 수용액은 산성 가스를 중화한 후에도 미반응 NaOH를 다량 함유하여 pH 12~14의 강알칼리성 폐수가 됩니다.

* 알칼리 세정탑(Alkaline Scrubber)이란?

알칼리 세정탑은 NCC 공정에서 발생하는 산성 가스를 중화·제거하는 장치

쉽게 말해, 공장에서 나오는 오염된 배가스를 깨끗하게 씻어내는 ‘대형 공기 청정기’ 의 역할

** 알칼리 세정탑이 왜 필요할까?

NCC 공정에서는 나프타를 열분해하여 에틸렌, 프로필렌 등 석유화학 제품의 원료를 생산

이 과정에서 다음과 같은 산성 가스가 발생: 황화수소(H₂S) — 썩은 달걀 냄새, 유독함 / 이산화탄소(CO₂) / 기타 유기산

이 가스들을 그대로 배출하면 대기 오염 및 악취 민원 유발, 설비 부식 촉진, 환경 규제 위반을 하게 됨

→ 알칼리 세정탑이 이 문제를 해결

Phase A

초기 pH 12.77 대비 CO2 주입량 증가에 따른 중화 성능 분석

Initial State

pH 12.77

Exp 1

CO2 40 LPM

pH 10.40

Exp 2

CO2 46 LPM

pH 9.40

Exp 3

CO2 50 LPM

pH 9.14

Exp 4

CO2 60 LPM

pH 8.30

Phase B

최적 유량 구간에서의 중화 안정성 실증 분석 (Scale: 45-60)

Initial State

pH 12.77

Run 1

CO2 55 LPM

pH 8.58

Run 2

CO2 50 LPM

pH 9.17

Run 3

CO2 53 LPM

pH 8.97

Run 4

CO2 53 LPM

pH 8.88

초기 상태 (Initial State): 처리 전 pH 12.77의 강알칼리 상태입니다.

연속 가동 결과 (Run 1~4): CO₂ 유량을 50~55 LPM 사이로 조정하며 가동한 결과, pH 수치가 8.58에서 9.17 사이로 아주 안정적으로 유지되었습니다.

특히 마지막 Run 4에서는 53 LPM 주입 시 pH 8.88을 기록하며, 후속 처리 공정의 요구 조건을 충분히 안정적으로 만족할 수 있음을 확인했습니다.

중화 반응열로 수온이 초기 30℃ → 35℃ 상승 : 활발한 화학 반응 증거(발열 반응의 물리적 입증)

1단계: 원유 → 증류탑 → 나프타

비유: 돼지고기에서 부위별로 삼겹살을 떼어내는 것

• 원유는 다양한 길이의 탄화수소(파라핀, 나프텐, 방향족 등)가 뒤섞인 복잡한 혼합물입니다.

• 증류탑은 끓는점 차이를 이용해 마치 증류주를 만들 듯, 가벼운 성분부터 분리합니다.

- 나프타는 끓는점이 약 30~200℃인 가솔린 범위의 분획으로, 주로 탄소 수 5~10개 정도의 분자로 구성됩니다.

• 화학적 특징: 나프타는 이후 크래킹 공정에 가장 적합한 원료로, 올레핀(에틸렌 등) 수율이 높습니다.

※ 나프타는 단일 물질이 아니라, 수십에서 수백 종의 탄화수소가 섞인 ‘혼합물’입니다. 증류탑에서 정밀하게 끓는점을 조절하여 원하는 조성을 맞춥니다.

2단계: 나프타 → NCC 가열로 → 에틸렌·프로필렌

비유: 삼겹살(긴 지방 사슬)을 잘게 다져 햄버거 패티(작은 분자)로 만드는 것

• NCC 가열로는 튜브형 반응기로, 나프타와 수증기를 함께 800~900℃로 가열합니다.

• 열분해(크래킹) 는 자유 라디칼 메커니즘으로 일어납니다.

- 긴 탄화수소 분자가 고온에서 전자쌍이 깨지면서 불안정한 라디칼(·CH₃ 등)이 생깁니다.

- 이들이 연쇄 반응을 일으켜 에틸렌(CH₂=CH₂), 프로필렌(CH₃-CH=CH₂) 등 작은 올레핀으로 분해됩니다.

• 체류 시간: 0.1~0.5초로 매우 짧습니다. 너무 길면 원하는 제품이 더 작은 가스(메탄, 수소)로 분해됩니다.

• 부산물: 수소, 메탄, 부타디엔, 벤젠, 톨루엔, 그리고 소량의 코크스(탄소 찌꺼기)가 생깁니다.

※ 이 반응은 흡열 반응이라 엄청난 열에너지가 필요합니다. 가열로 버너는 천연가스를 태워 필요한 열을 공급하며, 튜브 내벽에는 코크스 부착을 막기 위한 특수 합금 또는 코팅이 사용됩니다.

3단계: 급냉 및 분리

비유: 뜨거운 패티를 바로 얼음물에 담가 더 이상 익지 않게 멈추는 것

• 급냉(Quenching): 가열로에서 나온 고온(800℃ 이상)의 반응 가스를 수백 ℃에서 수십 ℃로 0.01초 이내에 식힙니다.

- 목적: 원하는 에틸렌, 프로필렌끼리 서로 반응하여 더 큰 분자(중합)나 코크스가 생기는 것을 막습니다.

• 분리: 식혀진 가스를 압축하고, 여러 단계의 증류탑(냉각 증류)에서 끓는점 차이로 성분을 분리합니다.

- 초저온(약 -100℃)까지 냉각하여 수소, 메탄, 에틸렌, 프로필렌, 혼합 C4, 가솔린 등으로 분리합니다.

• 에틸렌·프로필렌은 최종 제품으로 저장되거나, 바로 다음 공정(중합, 산화 등)으로 보내집니다.

※ 분리 공정은 NCC에서 가장 에너지를 많이 소비하는 부분입니다. 초저온 냉동기를 이용한 극저온 분리(cryogenic distillation) 가 일반적입니다.

지구 온난화와 기후 변화는 현대 문명이 직면한 가장 시급한 과제 중 하나이며, 이를 해결하기 위한 전 지구적인 탄소 중립(Net-Zero) 달성 노력이 모든 산업 분야에서 가속화되고 있습니다. 특히 건설 산업의 기초 소재인 콘크리트는 현대 인프라 구축에 있어 필수불가결한 자원이지만, 그 주원료인 시멘트 생산 과정에서 발생하는 막대한 이산화탄소(CO₂) 배출량은 환경적 측면에서 큰 부담이 되어 왔습니다.

통계에 따르면 시멘트 산업은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 7%에서 8%를 차지하며, 이는 단일 산업군으로서는 매우 높은 비중을 차지합니다. 이러한 배출의 주된 원인은 석회석을 가열하여 클링커를 제조하는 소성 공정에서 발생하는 이산화탄소와 연료 연소에 따른 열 배출에 기인합니다.

이러한 환경적 문제를 해결하기 위해 최근 건설 및 재료 공학 분야에서는 이산화탄소를 단순히 배출 저감의 대상으로만 보지 않고, 이를 포집하여 건설 자재 내부에 영구적으로 고정(Sequestration)하거나 자원화(Utilization)하는 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술에 주목하고 있습니다. 콘크리트는 그 자체로 알칼리성을 띠고 있어 이산화탄소와 반응하여 탄산염 광물을 형성할 수 있는 잠재적인 탄소 흡수원(Carbon Sink)입니다.

그러나 기존의 탄소 주입 기술은 고압 장비의 필요성, 이산화탄소 용해도의 한계, 그리고 가스 주입 시 발생하는 콘크리트 내부 공극 형성 및 강도 저하 등의 기술적 난관에 봉착해 있었습니다.

화우나노텍의 나노버블(Nanobubble) 이산화탄소 용존 기술은 기존 기술의 한계를 획기적으로 극복한 차세대 솔루션입니다. 나노버블 기술은 이산화탄소를 미세한 기포 형태로 액체 속에 안정화하여 용해량을 극대화하며, 이를 콘크리트 배합수로 활용함으로써 물리적인 강도 향상과 화학적인 탄소 고정화를 동시에 달성할 수 있습니다.

아래의 내용은 '한양대학교 ERICA 스마트 건설 재료 연구실(SCM-LAB)'에서 수행한 저강도 'L-type'과 'H-type' 콘크리트 실험 결과입니다.

나노버블 기술을 이용한 콘크리트 제조 과정은 크게 이산화탄소 용존수의 생성과 이를 활용한 레미콘 배합의 두 단계로 나눠지게 됩니다.

실험에 사용된 'C1950' 용존수는 화우나노텍의 'ANT 시리즈' 나노버블 발생 장치를 통해 제조되었습니다.

1. 원수 유입: 청수(Fresh Water)가 시스템 내부로 유입

2. CO₂ 가스 주입: 포집된 이산화탄소 가스가 공급 라인을 통해 투입

3. 나노버블 생성: 나노버블 발생 장치 내에서 표면 마찰과 공동화(Cavitation) 현상을 통해 이산화탄소가 나노 크기로 미세화되어 물에 용해

4. 물성 측정: 생성된 용존수의 특성을 분석한 결과, CO₂ 용존량은 1,918 mg/L에 달하며 수소이온 농도(pH)는 4.56의 약산성을 띠는 것을 확인

화우나노텍 L-강도 콘크리트 압축강도 추이

일반 청수(Plain) 대비 나노버블(C1950) 혼입에 따른 강도 향상 추이

Initial (3 Days)

초기 강도 발현

15.4 MPa

Final (28 Days)

C1950 최종 강도

33.3 MPa

Performance Gap

전차 대비 향상폭

+4.9 MPa

화우나노텍 H-강도 콘크리트 압축강도 추이

나노버블(C1950) 치환율(3%, 5%, 10%)에 따른 H-강도 발현 비교

Plain

대조군 (청수)

32.5 MPa

C1950 3%

최적 배합 (Optimal)

35.9 MPa

C1950 5%

성능 안정 구간

34.1 MPa

C1950 10%

고농도 치환 구간

34.0 MPa

최적 성능 (3% 치환)

양생 전 구간에서 대조군을 압도하는 성능을 보이며, 특히 21일차에 36.4 MPa로 최고 발현율(112%)을 기록했습니다.

안정적 성능 (5% 치환)

초기 14일까지는 대조군과 유사하나, 이후 나노버블의 영향으로 강도가 반등하여 최종적으로 일반 배합 대비 5% 높은 강도를 확보합니다.

경제성 확보 (10% 치환)

시멘트 함량을 대폭 낮추었음에도 불구하고 최종 강도 34.0 MPa를 달성하여, 비용 절감과 품질 유지라는 두 가지 목표를 동시에 만족합니다.

기준점 (Plain)

청수를 사용한 표준 배합으로, 재령 21일 이후 강도 성장이 정체되는 특성을 보입니다.

* 본 실험 결과는 '한양대학교 ERICA SCM-LAB'의 정밀 측정을 거쳐 검증되었습니다.

지구의 균형을 되찾는 기술,

이산화탄소 나노버블로 가치를 더하다.

이산화탄소 나노버블을 통한

전기, 수소 생산 효율 극대화.

이산화탄소 나노버블

활용 분야

Case #1

NCC 공정에서 발생하는 강알칼리 폐수의 중화

활용 분야

Case #2