This study presents novel process integration between $CO_2$ mineralization and brackish water reverse osmosis (BWRO). The integration is based on a complementary relationship between these two processes. While $CO_2$ mineralization needs metal ions such as $Na^+$ to convert $CO_2$ into mineral carbonate like sodium bicarbonate, BWRO should reject these ions to produce fresh water. Thus, there is a possible synergy if these two processes are integrated appropriately. To verify this potential advantage of process integration, techno-economic analysis (TEA) and $CO_2$ life cycle assessment (LCA) are implemented. A first key requirement for TEA and $CO_2$ LCA is mass and energy balance data. Therefore, the process is simulated with commercial software tools such as Aspen plus and Matlab. A second key requirement is proper evaluation scenarios. Based on market analysis, the proposed process is assumed to be installed in the US and China to replace conventional benchmark process. Also, two electricity sources (coal and wind onshore) are considered in the evaluation to investigate the sensitivity of the process performance upon electricity type. As the result of TEA and $CO_2$ LCA, $CO_2$ avoidance cost of the process is currently 132~245$/metric ton of $CO_2$ with wind-based electricity. It is higher than $CO_2$ avoidance cost of relatively mature carbon capture and storage (CCS) process (60~170$/metric ton of $CO_2$), which implies a slightly inferior performance of the suggested $CO_2$ utilization process. Nevertheless, one thing to note is that the proposed $CO_2$ utilization process has advantages compared to the CCS process in terms of no need for storage site, no danger of $CO_2$ leakage, production of useful materials, etc. In addition, since the feasibility study was carried out for the baseline case, process performance can be improved further through optimization. Therefore, the presented process integration between $CO_2$ mineralization and BWRO has enough potential to be further investigated as a means to produce useful chemicals and fresh water as well as to reduce $CO_2$ emission.
본 연구에서는 이산화탄소 광물화 공정과 강물담수화 공정간의 새로운 공정통합을 제시하였다. 이러한 공정통합은 두 공정간의 상호연관성에 기초한다. 이산화탄소 광물화 공정은 이산화탄소를 광물로 전환하기 위해 무기광물이온을 필요로 하는 반면, 강물담수화 공정은 이러한 이온들을 염수로부터 분리하여 담수를 생산해야 한다. 따라서, 두 공정이 적절히 통합된다면 시너지효과가 발생할 수 있다. 이러한 공정통합의 타당성을 평가하기 위해, 기술경제성 분석과 이산화탄소 전 과정 평가가 수행되었다. 타당성 평가를 위한 첫 번째 필요사항은 통합공정에 대한 질량 및 에너지수지 정보를 얻는 것이다. 이를 위해, 제안된 통합공정은 Aspen plus, Matlab과 같은 상용프로그램으로 모사되었다. 두 번째 필요사항은 평가를 위한 적절한 시나리오 설정이다. 시장 분석에 기초하여, 본 공정은 기존 공정을 대체하여 미국과 중국에 설치되는 것으로 가정하였다. 또한 전기에너지 유형에 따른 공정성능의 민감도를 알아보기 위해, 두 가지 전기에너지원(석탄과 풍력)이 평가에 고려되었다. 평가 결과, 풍력기반의 전기에너지가 사용될 때, 본 공정의 이산화탄소 회피비용은 현재 132~245$/[톤 $CO_2$]로, 상대적으로 기술성숙도가 높은 이산화탄소 포집 및 저장 공정(Carbon capture and storage, CCS)의 이산화탄소 회피비용(60~170$/[톤 $CO_2$])보다 높다. 이는 제안된 통합공정의 성능이 기존의 CCS공정에 비해 낮다는 것을 의미한다. 그러나, 본 연구에서 제시된 공정은 저장장소의 불필요, 안정적인 이산화탄소 격리, 유용한 화합물 생산 등 CCS공정에 비해 추가적인 이점들을 가지고 있다. 또한 향후 공정최적화를 통해 제안된 공정의 성능이 개선될 가능성이 있다. 따라서, 제시된 이산화탄소 광물화 공정과 강물담수화 공정간의 공정통합은 유용한 화합물과 담수를 생산하면서 동시에 이산화탄소 배출도 줄일 수 있는 유망한 기술로서 좀 더 연구될 가치가 있다.
