KR101541994B1 - 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡수탑과 해수와 담수의 농도차를 이용한 이온발전기 연계 기술을 융합 적용한 연소배가스 내 이산화탄소를 이용한 전기 생산 및 고효율 이산화탄소 포집 장치 및 방법으로 이산화탄소를 흡수하는 흡수액을 이용하여 농도차를 증가시켜 전기에너지의 생산 효율 증대 및 이산화탄소 포집 공정 운전시 비용 절감 효과, 온실가스인 이산화탄소를 통해 전기 생산을 동시에 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

Description

전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집 장치 및 방법{Apparatus and process for carbon dioxide capture related to generate electricity}
본 발명은 연소 배기가스 중의 이산화탄소의 포집장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 이산화탄소 흡수탑과 이온발전기 연계 기술을 적용한 연소배가스 내 이산화탄소를 이용한 전기 생산 및 고효율 이산화탄소 포집 장치 및 방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 6대 온실가스 중 가장 많은 발생량을 차지하는 가스로써 대량 배출 시설이 고정되어 있는 산성 가스이다. 주로 화석 연료의 연소를 통해 이산화탄소가 발생하므로 에너지를 생산하거나 대량 소비하는 산업공정에서 주로 발생한다.
2012년 국제에너지기구의 기후 변화에 대한 적극적 대응 시나리오에 의하면 2050년까지 인류 생존을 위해 반드시 감축해야 하는 이산화탄소의 약 22%를 CCS(Carbon Capture and Sequestration) 기술을 이용해 저감할 것으로 예측하고 있다. 또한 국내에서도 2020년 온실가스 배출 전망치의 30%를 감축하기 위해서는 CCS 기술의 확보는 반드시 필요하다.
CCS 기술은 이산화탄소를 포집압축, 수송, 저장하는 3단계로 이루어져있는데, 포집 부분에 가장 많은 비용이 소모되어 기술 개발이 집중되고 있다. 이산화탄소를 포집하기 위한 여러 기술들이 1900년대부터 개발되어 일부 상용화가 되었는데, 분석 결과 대량으로 포집이 가능하며 경제성이 가장 뛰어난 방법은 액상 흡수법이다. 액상 흡수법은 크게 물리흡수방식과 화학흡수 방식이 있으며 본 발명과 연관된 상용적으로 활용 가능한 화학흡수법은 표 1과 같다.
제품명
 사용하는 화학용제
 공정 운전조건
Chemical solvents MEA 2, 5 n monoethanol amine and inhibitors 40℃, ambient intermediate pressures
Amine guard 5n monoethanol amine and inhibitors 40℃, ambient intermediate pressures
Econamine 6n diglycol amine 80-120℃, 6.3 MPa
ADIP 2-4n diisopropanol amine
2n methyldiethanol amine		 35-40℃, > 0.1 MPa
a-MEDA 2n methyldiethanol amine
Flexsorb Hindered amine
KS-1, KS-2, KS-3 Hindered amine and promoters
Benfield and versions Pottassium carbonate and
catalysts. Lurgi & Catacarb processes with arsenic trioxide		 70-120℃, 2-2.7 MPa
이러한 액상 흡수법 중 가장 많이 사용되는 방법으로는 알카놀아민법 (monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine 등)과 탄산칼륨을 이용한 벤필드법을 들 수 있다. 알카놀아민법은 이산화탄소를 흡수하는 다양한 알카놀아민을 물과 혼합하여 20~30 wt% 용액을 만들어 사용하는 방법으로 빠른 이산화탄소 흡수능력 때문에 1970년대부터 상용화가 된 방법이다.
알카놀아민법은 알카놀아민과 이산화탄소가 결합한 형태인 카바메이트 형성 후 재생반응을 거칠 때 매우 높은 열에너지를 주입해야 하는데 이러한 기존의 아민계 흡수공정에서 흡수제 재생시 많은 에너지가 필요하여 포집비용이 저감을 위한 요구가 있었다.
이산화탄소 포집용 흡수제 및 공정기술로 한국등록특허 제1157141호, 한국등록특허 제1316543호, 한국등록특허 제123938호 등 에서 탄산칼륨을 주성분으로 한 이산화탄소 포집용 액상 흡수제(브랜드명 KIERSOL 등록상표 제40-2011-0046524호, 제40-2011-0046525호)와 공정기술을 독자적으로 개발하였다. 이 흡수제를 이용한 공정의 경우 흡수제의 재생에너지는 약 2.5GJ/tCO2로 현재 세계 최고 기술인 MHI(일)의 KS-1 공정(재생에너지 3.2GJ/tCO2)과 비교할 때 20%이상 낮으며, 연소배가스에 미량 포함되어 있는 황산화물이나 할로겐화합물의 영향이 적어 공정 운전시 흡수제를 지속적으로 보충해야하는 기존 흡수제의 단점을 보완하고 운전비 절감도 가능하게 하였다.
또한 지구온난화에 따른 물부족 문제와 에너지 부족을 해소하기 위하여 지구상에 존재하는 물의 대부분을 차지하는 바닷물을 담수화하여 사용하는 방법이 연구되고 있는데, 중동지역에서 사용되는 증발법과 미국, 일본 등지에서 많이 사용하는 역삼투법이 대표적이다. 하지만 역삼투법 역시 생산수를 얻기 위해 고압펌프를 사용해야 하기 때문에 많은 에너지가 소비되고 있고, 이를 해결하기 위해 고압 농축수의 에너지 회수장치들이 개발되고 있고, 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있는 정삼투방식과 재생에너지 기술로서 압력지연삼투 방식, 음극과 양극 사이에 음이온 교환막과 양이온 교환막을 교대로 설치한 전기투석방식과 유사하지만, 정삼투 방식과 같이 시스템으로 공급되는 흐름과 배출되는 흐름이 2개씩으로 이온교환막 사이를 바닷물과 강물로 채우면 둘 사이의 염도차에 의해 전압차가 발생하고 이온의 이동에 의해 전자가 음극에서 양극으로 전달되어 전기를 생산하는 기술로 벨기에의 Brauns 박사팀, 네델란드의 Hamelers 박사팀 등에서 연구중이다.
Hameler 박사 연구팀에 의하면, 다른 조성을 가진 두 유체가 혼합되어 있을 때 혼합 에너지가 배출됨을 보고하였고 가스와 액상의 이러한 에너지원을 수확하는 것이 가능한 기술은 없었으나, 공기 중에 있는 연소가스에 혼합된 이산화탄소를 에너지원으로 볼 때 전세계적으로 연간 1570TWh 의 에너지가 존재한다고 보고되며 이산화탄소를 포함한 가스배출로부터 혼합에너지를 얻기위해 쌍으로된 다공성 전극을 사용하고 한 전극은 음이온 선택적이고 다른 하나는 양이온 선택적으로 구성하여 이산화탄소 또는 공기와 함께 플러싱한 전해액을 번갈아서 흘려준면 이 선택적 다공성 전 극사이에, 전기에너지가 얻어진다고 발표하였다. 이 과정의 효율은 전해액이 이온화되지 않은 용수일 때 24%이고, 0.25M의 MEA가 전해액일 때는 32%였다. MEA용액을 전해액으로 사용한 경우의 최대 평균 에너지양은 4.5mW/m2 이였고 용수를 전해액으로 했을 때의 0.28mW/m2보다 주목할 만큼 높게 나타났다고 논문에 발표하였다.
다른 조성의 두 가지 용액의 혼합은 원래의 두 개 용액과 비교하여 보다 더 낮은 깁스에너지 함량을 가지는 혼합물을 얻게 되며 깁스 함수에서 이러한 감소는 적합한 기술이 이용될 때, 수확될 수 있는 혼합 에너지의 존재를 암시하고, 현재까지 에너지 자원으로 혼합공정의 이용은 다른 염도를 가지는 수용액의 혼합만을 이용하였고 해수와 하천으로부터 담수의 혼합은 전형적으로 담수 1L당 ~3kJ의 일을 이용할 수 있다고 보고되었다. 몇몇 기술은 반투막, 이온선택성 막(ion-selective membrane), 이중층 확장(double-layer expansion) 및 이온 선택성 다공성 전극(ion-selective porous electrode)등을 적용하여 이러한 에너지 자원을 이용하기 위하여 개발 중이이며 후자의 기술은 담수화를 위한 축전식 탈염(CDI: capative deionization) 또는 수퍼캐퍼시터에 사용되는 전극과 유사한 전기 용량 전극 전지(capative electrode cell) 쌍의 이용을 기반으로 한다. 또 다른 접근은 전기화학적 농도 전지로 운영을 유지하기 위하여 음극에 건조 공기가 있는 연료전지를 사용하기도 한다.
또한 연구진은 이산화탄소 배출로부터 에너지를 수확하는 가능성을 조사했는데 탄화수소 연료 또는 바이오매스가 연소되는 곳, 즉 이산화탄소와 물로 전환되는 곳에서는 공기(0.039%) 대비 높은 이산화탄소 농도(5~20%)를 함유하는 배기가스가 생성되며 이것은 공기와 혼합된 연소가스가 이용되지 않는 에너지 자원임을 의미하며 이러한 에너지 자원을 수확하기 위하여, 연구진은 이산화탄소 배출과 수용성 전해질을 가지는 공기와의 접촉을 제안했다. 수용액에서 이산화탄소는 양성자(H+)와 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)로 해리되어 탄산(Carbonic acid)을 생성하며 중탄산염은 높은 pH 조건 하에서 중탄산염 이온(Carbonate ion, CO3 2 -)으로 더 해리될 수 있다. 기체에서 이산화탄소 압력의 증가는 수용액에서 이온 농도의 증가를 유발하며 결과적으로 공기가 투입되는 용액과 이산화탄소가 투입되는 용액 사이의 이온 농도의 차이는 전기 에너지를 얻기 위하여 이용될 수 있으며 여기서 연구진은 이산화탄소와 공기의 혼합으로부터 부가적인 에너지를 얻을 수 있는 가능성을 보여 주었다고 밝혔다.
실험적 설치는 전해질을 함유하는 두 개의 탱크로 구성되며 한 개의 탱크에는 공기가 투입되는 한편, 다른 한 개의 탱크에는 100% 순수한 이산화탄소 기체가 투입된다. 각 탱크는 페리스태틱 펌프를 통하여 전기 용량 전지(capacitive cell)에 연결했다. 각 펌프와, T 커넥터 그리고 밸브들은 역류를 방지되게 구성되며 전기 용량 전지의 입구에는 pH 프로브가 설치되며 두 개의 펌프 배출구는 T 형태의 연결 개회로 조건 또는 외부 부하를 통한 페회로 하에 전지 전위가 멀티미터의 접지에 연결된 음이온 교환전극을 갖춘 멀티미터로 됐다. 두 개의 전기 용량 전극으로 이루어진 전기 용량 전지 중 하나는 양이온 교환막(CEM: cation-exchange membrane)으로, 다른 하나는 음이온 교환막(AEM: anion exchange membrane)으로 덮여있으며 실험에 사용된 셀은 다수의 층으로 적층되어 만들어져 평평한 흐름으로 셀을 통과하여 구성되며 (1) 바깥판으로 사용되는 알루미늄 플레이트, (2) 집전장치(current collector)로 사용되는 속이 빈 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 플레이트를 갖는 그라파이트 플레이트 소켓, (3) 셀을 실링하고 전기용량 전극 공간을 주기 위한 실리콘 가스켓, (4) 활성 탄소층이 코팅된 그라파이트 포일 집전장치로 제작된 전지용량 전극, (5) (양성자) 양이온에 선택적인 CEM, (6) 스페이서 위한 공간을 만드는 테프론 가스켓, (7) 분리막과 유체의 흐름을 만들기 위한 고분자 스페이서 및 (8) (중탄산 이온) 음이온에 선택적인 음이온 교환 분리막층으로 구성된다.
다공성 카본 전극은 바인더 용액에 활성탄소 파우더를 혼합하여 준비하였으며 전처리로 카본 전극은 이산화탄소 함유 용액 또는 MEA 용액에 담지하였고 음이온 막과 양이온 막은 CEM의 경우 0.25M 염산 용액에, AEM의 경우는 0.25M 포타슘(KHCO3)에 24시간 담지하고 담지액은 2회 교체하고 고분자 스페이서는 유로를 형성하기 위해 사용되었다.
두 개의 용액은 두 개의 이온 교환막 사이의 스페이서 채널(spacer channel)을 통하여 펌프로 공급되고 모든 실험에서 장치를 통과하는 이산화탄소가 투입된 물의 흐름이 공기가 투입된 물의 흐름으로 교대로 공급됐다. 이러한 두 개의 단계가 한 개의 순환으로 구성된다. 물은 다른 염으로부터 해리되어 온도는 20℃였으며, 장치는 대기압으로 운영되었다. 외부 부하 저항(external load, Rext )을 통하여 두 개의 전극을 연결함으로써 두 개의 전극 사이에 전자가 흐르게 하여 전기가 발생하는 것이 가능하며 이산화탄소가 투입된 물에 노출될 때, 막 전위에 의해 음이온 특성 전극에서 양이온 특정 전극으로 전자를 이동하게 한다. 이러한 전기 전하의 이동은 각 전극에서 초과 전하(excess charge)를 유발하며 전기적 중성을 유지하기 위하여 이러한 초과 전하는 막 전위와 이중층 전위가 평형에 도달하고, 전지 전압이 0이 될 때까지 전극표면에서 반대 이온을 흡착함으로서 상쇄된다. 이산화탄소가 투입된 용액이 공기가 투입된 용액에 의해 대체될 때, 새로운 막 전위가 이러한 공정을 역전시키고, 시스템이 전지 전위가 다시 0이 되는 지점에서 새로운 평형에 도달할 때까지 전극에서 이온이 배출되어 흐르는 용액으로 되돌아 오게 만든다. 이러한 0 전지 전위는 전지 운영의 에너지 생성 모드에서 일반적이며 그러나 개회로 조건하에서 전하 이동이 없으며, 따라서 전극 이중층 전위가 막 전위와 평형을 이룰 가능성은 없다. 결과적으로 전위는 막 전위에서 변화만으로 변화될 것이다. 그러나 전극 전위가 일정하게 남기 때문에 0 전지 전위에 도달할 것이라는 점을 증명해야 할 것이다. 주기는 두 개 용액을 교류하여 반복될 수 있다.
공기 투입과 이산화탄소가 투입된 용액은 가스 살포 방법이 실험실에서 용이하게 적용되는 단순한 기술이기 때문에, 가스 살포에 의해 모두 준비됐었으나 살포는 폐수 처리에서 광범위하게 연구된 에너지 집약적인 운영이다. 비포기 효율(specific aeration efficiency)은 적용된 기술에 따라 좌우되며 0.6~7.5kgO2/kWh 범위이다. 가장 효율적인 포기 기술을 사용한다고 하더라도, 연구진은 단일 용액에 대하여 300kJ/kgCO2 가량이 필요한 것으로 추정하고 있다. 이러한 계산은 전해질과 기체의 접촉을 위하여 살포의 사용이 생성된 것보다 더 많은 에너지를 사용한다는 것을 보여 주었다. 연구팀의 전기 에너지 수확 방법의 원리는 용해된 이산화탄소는 양성자와 중탄산염으로 해리되어 이온 선택성 때문에 서로 다른 전극으로 확산되며 결과적으로 얻은 막 전위는 자발적 전류의 생성으로 이어지는 것을 이온발전기를 구성하여 실험적으로 증명하였다.
한국등록특허 제131136호, 한국등록특허 제1291768호, 한국등록특허 제1318331호에서 확인할 수 있는 반투과성막을 해수와 담수사이에 설치하여 농도차에 의해 담수가 해수쪽으로 끌려들어가 대기압의 26배인 삼투압이 발생시켜 발전하는 압력지연삼투(PRO)방식 및 멤브레인으로 특정 이온만 선택적으로 통과시키는 역전기투석(RED)방식을 이용한 연구가 진행중이다.
그러나, 상기 이산화탄소 흡수탑을 이용하여 연소가스 중에 포함된 이산화탄소가 흡수된 흡수액을 해수와 담수를 이용한 이온발전기에 적용하여 전기를 생산하는 연구는 시도된 적이 없다.
보다 구체적으로 현재 이산화탄소 포집 공정 기술의 경우 화학 소재의 재생에 필요한 에너지를 낮추기 위하여 소재 성능 개량과 공정 효율 개량으로만 40년간 기술 개발이 집중되어 왔으며, 염분차 이용 이온발전 발전기술은 낮은 바닷물의 염농도(3.5%)로 인해 발생가능한 전기 생산량의 한계를 극복하기 위해 막의 성능 개량과 막 모듈 시스템 개량에 집중되어 왔다. 이 두 가지 기술의 개발난점을 해결하기 위해 이산화탄소 포집 기술과 염분차 이용 이온 발전기술의 조합을 통해 이산화탄소 포집 공정을 운전하면서 재생에 필요한 열에너지가 필요한 것이 아니라 이산화탄소 흡수액이 오히려 발전의 원료화가 되고, 고농도의 염분차로 인해 높은 전류량을 얻음으로써 양쪽의 문제가 극적으로 해결한다면 지구온난화를 해결하기 위한 기술 패러다임을 극복할 수 있을 것으로 사료된다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제1157141호
(특허문헌 2) 한국등록특허 제1316543호
(특허문헌 3) 한국등록특허 제123938호
(특허문헌 4) 한국등록특허 제131136호
(특허문헌 5) 한국등록특허 제1291768호
(특허문헌 6) 한국등록특허 제1318331호
(논문 1) H.V.M. Hamelers, et al., "Harvesting Energy from CO2 Emissions", Environmental Science & Technology Letters, 2014, 1(1), pp 31-35
상기 이러한 선행문헌의 기재는 발명가의 발명행위가 수많은 선행기술 중 주어진 기술적 과제를 해결하는 최선의 조합을 도출하는 것과 다름 아니며, 수많은 선행기술 중 그러한 최선의 조합을 시현하는 선행기술을 추출하는 작업 자체가 중요한 발명행위라고 보고, 그 추출의 용이함도 진보성 판단에 고려되어야 하며 선행기술의 구성으로부터 해당 발명의 구성으로 변경하는 그 구성변경의 곤란성을 판단함에 있어서 사후고찰(hindsight)의 오류가 개입된다면, 그러한 오류를 감소하는 방안으로 비교적 객관적으로 평가, 측정될 수 있는 발명의 효과를 진보성 판단의 이차적 요소로 고려하여야 하며 기술발전 및 유사 기술의 특허 여부는 객관적 자료로서 그 객관적 자료를 살펴 유사 기술이 특허된 경우 해당 발명도 특허성을 인정할 수 있고, 해당 발명이 상대적으로 큰 진보를 시현한 경우 그 발명의 진보성이 인정될 수 있을 것이다
본 발명은 상기와 같은 연구를 수행하기 위해 안출된 발명으로 본 발명의 목적은 이산화탄소 포집공정과 해수와 담수를 이용한 이온발전기 연계 기술을 적용하여 이산화탄소 포집용 액상 흡수 공정의 안정적 운전을 위해 포화 흡수제 재생용 에너지를 필요로 하는 것이 아닌 역으로 전기 에너지를 생산할 수 있는 고효율의 이산화탄소 포집 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉 흡수시키는 흡수탑(1); 유동액이 이동하는 양이온 유로(7f) 및 음이온 유로(7g); 상기 양이온 유로와 상기 음이온 유로 사이를 이동하는 이산화탄소가 흡수된 흡수액이 이동하는 흡수액 유로(7e); 를 포함하고 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액의 농도와 상기 유동액의 농도차에 의한 전위차에 의해서 전기를 발생시키는 이온발전장치(7); 상기 흡수액 유로를 이동하여 이온발전장치를 통과한 재생 흡수액은 흡수탑으로 액체수송 펌프(6)에 의해 공급되는 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
상기 양이온 유로와 상기 흡수액 유로 사이에 형성된 양이온 교환막(7a)과 상기 음이온 유로와 상기 흡수액 유로 사이에 형성된 음이온 교환막(7b)을 포함할 수 있다.
상기 양이온 교환막과 이격되어 대향 배치된 양이온 전극(7c)과 상기 음이온 교환막과 이격되어 대향 배치된 음이온 전극(7d)를 포함할 수 있다.
상기 흡수제는 용질로서 아민류(Amines), 알칼리 금속 중탄산염(alkali metal bicarbonates), 탄산염(carbonates), 수산화물(hydroxides), 붕산염(borates), 인산염(phosphates), NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3와 같은 수용성 전해질액과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질 중에서 선택된 하나 이상인 것을 포함할 수 있다.
아민류는 1급 아민, 2급 아민 및 암모니아이다. 이 아민류는 상온 상압에서 액체나 고체인 것도 좋고, 기체 중에서 증기압을 갖거나 또는 미스트상인 아민류이어도 좋다. 1급 아민으로는 메틸아민, 에틸아민, 이소프로필아민, 프로필아민, 부틸아민, 2-아미노에탄올 등의 포화 지방족 1급 아민, 알릴아민 등의 불포화 지방족 1급 아민, 시클로프로필아민 등의 지환식 1급 아민, 아닐린 등의 방향족 1급 아민을 들 수 있고, 2급 아민으로는 디메틸아민, 디에틸아민, 디이소프로필아민 등의 포화 지방족 2급 아민, 디알릴아민 등의 불포화 지방족 2급 아민, 메틸아닐린 등의 방향족
2급 아민 등을 들 수 있다. 또한 에틸렌아민(Ethyleneamine), MEA(Ethanolamine), BEA(N-N-Butylethanolamine), EDA(Ethylenediamine), DEA(Diethanolamine), DIPA(Diisopropanolamine), MDEA(N-Methyldiethanolamine), DGA(Diglycolamine), TEA(Triethanolamine), o-Methylhydroxylamine, Ethanimidamine, AEEA(N-(2-hydroxyethyl)ethylenediamine), DETA(Diethanoltriamine), DMMEA(N,N-Dimethylethlethanolamine), ADIP(2-4N diisopropanolamine, 2n methyldiethanolamine), Piperidine, Piperazine, Morpholine, Pyrrolidine, TMP(2,2,6,6, Tetramethyl-4-piperidinol), AMP(2-Amino-2-methylpropanol), MIPA(1-Amino-2-Propanol), MMEA(2-Methylaminoethanol), MPA(3-Amino-1-propanol), DEMEA(Diethylaminoethanol), DIPMEA(2-Diisopropylaminoethanol) 등을 들 수 있다.
상기 알칼리탄산염은 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 중탄산 칼륨(KHCO3) 및 중탄산나트륨(NaHCO3) 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다. 또한 Union Carbide사에서 개발한 Benfield 공정, Benfield 공정을 개량한 HIPURE 공정, Eickmeyer사의 Catacarb공정, Exxon사의 FLEXSOB HP 등에 화합물 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
또한 입체장애 아민류인 KS-1, KS-2, KS-3도 들 수 있다. 상기 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페라진 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 흡수제는 첨가제로서 부식방지제, 응집보조제, 산소억제제(antioxidants), 산소소거제(O2 scavenger), 소포제 또는 이들의 혼합물을 더 포함할 수 있다.
상기 흡수제는 용매로서 물의 존재 형태인 순수, 담수, 기수, 염수, 또는 알코올과 물의 혼합매와 같은 수계 용매와 헥산 등의 지방족 탄화수소류 ; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸나프탈렌 등의 방향족 탄화수소류 ; 퀴놀린, 피리딘 등의 복소고리 화합물 ;아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류 ; 아세트산메틸, 아크릴산메틸 등의 에스테르류 ; 디에틸렌트리아민, N,N-디메틸아미노프로필아민 등의 아민류 ; 디에틸에테르, 프로필렌옥사이드, 테트라히드로푸란 (THF) 등의 에테르류 : N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등의 아미드류 ; 헥사메틸포스팔아미드, 디메틸술폭사이드 등의 비프로톤성 극성 용매와 같은 유기계 용매 중에서 선택된 하나 이상인 것을 포함할 수 있다.
용매로는, 용질을 용해 또는 분산하는 것이 가능한 용매이면, 그 종류에 특별히 제한은 없고, 수계 용매와 유기계 용매의 어느 쪽을 사용해도 된다.
수계 매체로는, 예를 들어, 물의 존재 형태인 순수(純水, pure water), 담수(淡水, fresh water), 기수(汽水, brackish water), 염수(鹽水, saline water), 또는 알코올과 물의 혼합매 등을 들 수 있다.
자연계에 존재하는 물 중에서 바닷물이나 함수호(鹹水湖)의 물은 염수이고, 보통의 육수(陸水, inland water)는 담수이다. 육수는 순수한 H2O가 아니고 반드시 약간의 염분을 함유하고 있어 순수와 구별된다. 담수 ·기수 ·염수의 차례로 염분의 함유량이 많아진다. 기수는 해안의 호소나 입강(入江) 등지에서 해수와 담수가 혼합되어 있는 물을 말한다. 염류농도 측면에서 보면 해수와 담수의 중간 정도를 지칭한다.
유기계 매체로는, 예를 들어, 헥산 등의 지방족 탄화수소류 ; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸나프탈렌 등의 방향족 탄화수소류 ; 퀴놀린, 피리딘 등의 복소고리 화합물 ;아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류 ; 아세트산메틸, 아크릴산메틸 등의 에스테르류 ; 디에틸렌트리아민, N,N-디메틸아미노프로필아민 등의 아민류 ; 디에틸에테르, 프로필렌옥사이드, 테트라히드로푸란 (THF) 등의 에테르류 : N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등의 아미드류 ; 헥사메틸포스팔아미드, 디메틸술폭사이드 등의 비프로톤성 극성 용매 등을 들 수 있다.
상기 흡수제는 용매가 40~95wt%, 용질은 5~60wt%일 수 있다. 보통 상용급 흡수제들은 물 70wt%, 아민계열 30wt% 일 수 있다. KIERSOL 역시 물 74wt%/용매 26wt%으로 혼합된다.
상기 첨가제는 1wt% 이하로 더 포함될 수 있다. 첨가제의 양은 일반적으로 흡수제로서 목적하는 효과를 얻을 수 있는 범위내에서 첨가된다.
상기 흡수액 유로에 공급되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 상기 양이온 유로 및 상기 음이온 유로에 공급되는 상기 유동액는 교번하여 공급될 수 있다.
상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액가 각각 병렬로 공급될 수 있다.
상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액가 각각 직렬로 공급될 수 있다.
상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액은 각각 벌집(honeycomb)구조로 공급될 수 있다.
상기 흡수액 유로를 통해 공급되는 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액은 상기 기체 중에 이산화탄소를 흡수하거나 흡수하지 않은 흡수액 일 수 있다.
상기 이온발전장치에 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 상기 유동액는 대향류 또는 평행류로 공급될 수 있다.
상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 재생된 재생 흡수액이 통과하며 열교환 되는 열교환기(5);를 더 포함될 수 있다.
상기 열교환기에 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수액은 제1 액체수송 펌프(6a)에 의해서 공급되고, 재생 흡수액은 제2 액체수송 펌프(6b)에 의해 공급될 수 있다.
상기 흡수탑은 기체를 접속시키는 충전물(1a)을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 흡수탑에서 접촉 흡수시키는 기체 접촉단계; 유동액이 이동하는 양이온 유로(7f) 및 음이온 유로(7g); 상기 양이온 유로와 상기 음이온 유로 사이를 이동하는 이산화탄소가 흡수된 흡수액이 이동하는 흡수액 유로(7e);를 포함하는 이온발전장치에서 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액의 농도와 상기 유동액의 농도차에 의한 전위차에 의해서 전기를 발생하는 단계; 상기 흡수액 유로를 이동하여 이온발전장치를 통과한 재생 흡수액은 흡수탑으로 액체수송 펌프(6)에 의해 공급되는 폐루프를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집 방법을 제공한다.
본 발명을 통하여, 일차적으로 이산화탄소를 대량으로 발생하는 곳의 이산화탄소를 효율적으로 포집하여 지구온난화를 방지할 수 있으며, 부가적으로 이온발전 시스템을 이용하여 전기를 생산함으로써 이산화탄소를 에너지원으로 사용함과 동시에 흡수제를 재생하여 경제적으로 공정을 연속 운전할 수 있다.
이 과정에서 온실가스를 연속 포집 처리 시 외부로부터 공급해야 하는 흡수제의 재생 소요에너지가 전혀 없으며, 높은 이산화탄소 흡수속도로 인해 이산화탄소 포집비용을 절감할 수 있으며 염 생성 및 층 분리 현상이 발생하지 않아 흡수제를 보충할 필요가 없어서 공정효율을 정상상태로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명은 유동액과 흡수액의 농도차를 이용하여 전기를 생산하여 전력 사용량이 피크시 본 발명을 사용하여 농도차에 의한 발전을 통해 피크부하를 경감시킬 수 있는 전력저장장치로 활용할 수있다.
이를 통해 향후 연소배가스 중 이산화탄소를 저비용으로 분리하기 위한 신 흡수제 공정에 그대로 적용하게 된다면 지구온난화에 대비한 온실가스 저감기술 확보 및 전력생산에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
도 1은 본 발명의 전기생산이 가능한 이산화탄소 포집장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 전기생산이 가능한 이산화탄소 포집장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 열교환기를 포함하는 전기생산이 가능한 이산화탄소 포집장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 전기생산이 가능한 이산화탄소 흡수장치의 개략도이다.
도 5는 실시예 1에 따른 전력밀도 및 폐회로 전압 결과이다.
도 6는 실시예 1에 따른 흡수액과 유동액의 pH 변화 결과이다.
도 7은 실시예 2에 따른 최대에너지, 전력밀도, 폐회로 전압 및 pH 변화 결과이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 크게 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑과 흡수액과 유동액의 농도차에 의하여 전기를 생산하는 이온발전기의 두 부분으로 구성되며 상기 발명의 구성도는 도 1에 나타내었다.
또한 본 발명은 크게 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑, 이산화탄소를 흡수한 흡수액과 이온발전기를 통과하여 재생된 흡수액이 열교환하는 열교환기 및 흡수액과 유동액의 농도차에 의하여 전기를 생산하는 이온발전기의 세 부분으로 구성되며 상기 발명의 구성도는 도 3에 나타내었다. 상기 발명의 구성요소에 대하여 설명한다.
먼저, 흡수탑(1)에 대하여 설명하면 본 발명의 흡수탑은 이산화탄소가 함유된 혼합가스(2)로부터 이산화탄소를 접촉 흡수하는 장치로서 흡수액을 흡수탑의 상부로 공급하고, 흡수탑의 하부로 이산화탄소가 흡수된 흡수액(4)을 열교환기(5)로 보내는 구성으로 이루어진다. 상기 흡수탑은 충전물을 포함할 수도 있으며 이산화탄소를 흡수한 흡수액은 액체수송 펌프를 통하여 열교환기로 이송될 수 있다.
상기 열교환기(5)는 이산화탄소를 흡수한 흡수액과 이온발전기를 통과하여 재생된 재생 흡수액이 열교환이 이루어진다. 상기 열교환기에 유입되는 유체는 평형류 또는 대향류로 공급될 수 있다.
상기 이온 발전기는 도1에 도시된 바와 같이, 양이온 전극(7c)와 음이온 전극(7d) 사이에 형성된 공간이, 양이온 교환막(7a)와 음이온 교환막(7b)에 의해 구분된다. 즉, 상기 이온 발전기(7)는 상기 양이온 교환막(7a)와 상기 양이온 전극(7c)사이의 양이온 유로(7f), 상기 음이온 교환막(7b)와 상기 음이온 전극(7d)사이의 음이온 유로(7g), 및 상기 양이온 교환막(7a)와 상기 음이온 교환막(7b)사이의 흡수액 유로(7e)로 이루어진다.
상기 양이온 유로(7f)와 음이온 유로(7g)에는 유동액이 흐르며, 흡수액 유로(7e)에는 이산화탄소 흡수액이 흐른다.
상기 양이온 교환막(7a)은 흡수액 액체의 유통을 막고 양이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이고, 상기 음이온 교환막(7b)는 흡수액 액체의 유통을 막고 음이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이다.
상기 유동액은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3등 수용성 전해질액과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다.
특히, 상기 유동액으로써 순수, 담수, 기수, 염수, 또는 알코올과 물의 혼합매와 같은 수계 용매와 헥산 등의 지방족 탄화수소류 ; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸나프탈렌 등의 방향족 탄화수소류 ; 퀴놀린, 피리딘 등의 복소고리 화합물 ;아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류 ; 아세트산메틸, 아크릴산메틸 등의 에스테르류 ; 디에틸렌트리아민, N,N-디메틸아미노프로필아민 등의 아민류 ; 디에틸에테르, 프로필렌옥사이드, 테트라히드로푸란 (THF) 등의 에테르류 : N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등의 아미드류 ; 헥사메틸포스팔아미드, 디메틸술폭사이드 등의 비프로톤성 극성 용매와 같은 유기계 용매 중에서 선택된 하나 이상인 것을 사용하는 것이 가능하다.
그리고 상기 흡수액 유로(7e)에는 흡수액이 이동하며, 상기 흡수제로는 아민류(Amines), 알칼리 금속 중탄산염(alkali metal bicarbonates), 탄산염(carbonates), 수산화물(hydroxides), 붕산염(borates), 인산염(phosphates) 중에서 선택된 하나 이상인 것을 포함할 수 있다.
아민류는 1급 아민, 2급 아민 및 암모니아이다. 이 아민류는 상온 상압에서 액체나 고체인 것도 좋고, 기체 중에서 증기압을 갖거나 또는 미스트상인 아민류이어도 좋다. 1급 아민으로는 메틸아민, 에틸아민, 이소프로필아민, 프로필아민, 부틸아민, 2-아미노에탄올 등의 포화 지방족 1급 아민, 알릴아민 등의 불포화 지방족 1급 아민, 시클로프로필아민 등의 지환식 1급 아민, 아닐린 등의 방향족 1급 아민을 들 수 있고, 2급 아민으로는 디메틸아민, 디에틸아민, 디이소프로필아민 등의 포화 지방족 2급 아민, 디알릴아민 등의 불포화 지방족 2급 아민, 메틸아닐린 등의 방향족
2급 아민 등을 들 수 있다. 또한 에틸렌아민(Ethyleneamine), MEA(Ethanolamine), BEA(N-N-Butylethanolamine), EDA(Ethylenediamine), DEA(Diethanolamine), DIPA(Diisopropanolamine), MDEA(N-Methyldiethanolamine), DGA(Diglycolamine), TEA(Triethanolamine), o-Methylhydroxylamine, Ethanimidamine, AEEA(N-(2-hydroxyethyl)ethylenediamine), DETA(Diethanoltriamine), DMMEA(N,N-Dimethylethlethanolamine), ADIP(2-4N diisopropanolamine, 2n methyldiethanolamine), Piperidine, Piperazine, Morpholine, Pyrrolidine, TMP(2,2,6,6, Tetramethyl-4-piperidinol), AMP(2-Amino-2-methylpropanol), MIPA(1-Amino-2-Propanol), MMEA(2-Methylaminoethanol), MPA(3-Amino-1-propanol), DEMEA(Diethylaminoethanol), DIPMEA(2-Diisopropylaminoethanol) 등을 들 수 있다.
상기 알칼리탄산염은 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 중탄산 칼륨(KHCO3) 및 중탄산나트륨(NaHCO3) 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다. 또한 Union Carbide사에서 개발한 Benfield 공정, Benfield 공정을 개량한 HIPURE 공정, Eickmeyer사의 Catacarb공정, Exxon사의 FLEXSOB HP 등에 화합물 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
또한 장애 아민류인 KS-1, KS-2, KS-3도 들 수 있다. 상기 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페라진 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
특히, 상기 흡수액도 유동액과 마찬가지로 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3등 수용성 전해질액과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다.
특히, 상기 흡수액으로써 순수, 담수, 기수, 염수, 또는 알코올과 물의 혼합매와 같은 수계 용매와 헥산 등의 지방족 탄화수소류 ; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸나프탈렌 등의 방향족 탄화수소류 ; 퀴놀린, 피리딘 등의 복소고리 화합물 ;아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류 ; 아세트산메틸, 아크릴산메틸 등의 에스테르류 ; 디에틸렌트리아민, N,N-디메틸아미노프로필아민 등의 아민류 ; 디에틸에테르, 프로필렌옥사이드, 테트라히드로푸란 (THF) 등의 에테르류 : N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등의 아미드류 ; 헥사메틸포스팔아미드, 디메틸술폭사이드 등의 비프로톤성 극성 용매와 같은 유기계 용매 중에서 선택된 하나 이상인 것을 사용하는 것이 가능하다.
상기 흡수액의 이동방향과 상기 유동액의 이동방향은 대향류 또는 평형류로 공급될 수 있다.
상기 양이온 전극(7c)과 음이온 전극(7d) 및 상기 양이온 교환막(7a)와 상기 음이온 교환막(7b)은 종래 유동상 전극 시스템(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
다음으로 상기 전기생산이 가능한 이산화탄소 포집장치를 이용한 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
도 3에서 도면부호 1은 흡수탑(1)을 도면부호 5는 열교환기(5)를 도면부호 7은 이온발전기(7)를 지시한다.
상기 흡수탑(1)은 이산화탄소를 함유한 배가스(2)유로, 흡수탑을 통과한 배가스유로(3), 상기 열교환기(5) 통과하여 흡수탑에 공급되는 재생된 흡수액 유로(10) 및 흡수탑 하부로 배출되는 이산화탄소를 흡수한 흡수액유로(4), 흡수탑 내에서 기체를 접촉시키는 충전물(1a) 및 이산화탄소를 흡수한 흡수액을 열교환기로 보내주는 1차 펌프(6a)를 포함할 수 있다.
상기 열교환기(5)는 이산화탄소를 흡수한 흡수액과 이온발전기를 통과한 재생된 재생액이 통과하면서 열교환되는 부분이다.
상기 이온발전기(7)은 양이온 전극(7c)와 음이온 전극(7d) 사이에 형성된 공간이, 양이온 교환막(7a)와 음이온 교환막(7b)에 의해 구분된다. 즉, 상기 이온 발전기(7)는 상기 양이온 교환막(7a)와 상기 양이온 전극(7c)사이의 양이온 유로(7f), 상기 음이온 교환막(7b)와 상기 음이온 전극(7d)사이의 음이온 유로(7g), 및 상기 양이온 교환막(7a)와 상기 음이온 교환막(7b)사이의 흡수액 유로(7e)를 포함한다.
상기 흡수탑(1)에서는 상기 양이온 유로(7f) 및 음이온 유로(7g) 보다 농도가 높은 흡수액을 상기 이온발전기의 흡수액 유로(7e)에 공급하거나, 반대로 상기 양이온 유로(7f) 및 음이온 유로(7g)에 흐르는 유동액보다 농도가 낮은 흡수액을 흡수액 유로(7e)에 공급한다. 따라서 상기 흡수액 유로(7e)를 통과하는 흡수액은 이온농도가 낮아지거나 높아질 수 있다.
그리고 상기 이온발전기에는 전기에너지를 측정하는 계측기(8)가 연결돼서, 현재 상기 농도차에 의한 이온발전셀에서 생성된 전위차를 계측할 수 있다.
따라서, 상기 이온발전기에 상대적으로 농도가 높은 흡수액과 상대적으로 농도가 낮은 유동액을 보내면, 농도가 낮은 유동액이 흐르는 양이온 전극(7c)와 음이온 전극(7d)로 상기 양이온 교환막(7a)와 음이온 교환막(7b)를 통해 각각 양이온과 음이온이 이동하게 되고, 이동된 양이온과 음이온에 의해서 전위차가 발생하게 된다.
반대로, 상기 이온발전기에 상대적으로 농도가 낮은 흡수액과 상대적으로 농도가 높은 유동액을 보내면, 농도가 높은 양이온 유로(7f)와 음이온 유로(7g)로부터 양이온 교환막(7a)와 음이온 교환막(7b)를 통해 각각 양이온과 음이온이 흡수액 측으로 이동하게 되고 이 결과 전위차가 발생하게 된다.
본 발명의 개념도는 도 2에 나타내었다. 본 발명의 흡수공정은 온도 범위 5~80℃, 압력범위 상압~20기압, 액체/가스 몰 유속비 2.0~10의 범위에서 운전된다. 또한 본 발명의 이온발전기의 이온교환막 공정도 온도 범위 5~80℃, 압력범위 상압~20기압의 범위에서 운전되며 부피유속비는 염수:담수:전해액이 2:1.0~2.0:2의 범위에서 운전된다. 이산화탄소를 포함한 가스가 흡수탑에서 흡수액에 흡수되고, 농도가 높은 이산화탄소를 흡수한 흡수액과 농도가 낮은 담수가 농도차 이온발전기에 투입되고 이온만을 선택적으로 투과하는 이온발전기에서 전위차가 발생하여 전기를 생성하는 개념으로 배기가스 중의 이산화탄소를 제거하여 온실가스 저감효과도 갖으면서 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 농도차에 의한 이온발전기에 투입하여 전위차를 발생시켜 전기도 생산하는 두가지 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예 1은 도 4에 구성된 전기생산이 가능한 이산화탄소 흡수장치의 개략도로서 미세유로를 갖는 직사각형의 양극 및 음극 전극(Graphite electrode), 사이에 각각 5쌍의 양이온 교환막(Fumatech 및 Astom사) 및 음이온 교환막(Fumatech사), 스페이서, 흡수액(KIERSOL: K2CO3 15wt%, 2 Methyl Piperazine 10wt%, 나머지는 물이 혼합)과 이산화탄소가 반응하는 교반기가 설치된 베슬(10mL/min, 200rpm, 40℃), 담수 투입용 베슬(10mL/min), 전해액 순환 베슬(페로시안화물과 NaCl의 혼합용액 Fe(CN)6 3-/4-50mM, 20mL/min)로 구성된 전기생산이 가능한 이산화탄소 흡수장치를 제작하였다.
발생된 총에너지는 0.05W이며, 전압은 0.5 ~ 0.54 V, 그리고 최대 전력밀도는 교환막 단위면적당 0.8W/m2으로 측정되었다. 도 5에서는 반응시간에 따른 전력밀도와 폐회로 전압값을 나타내었다. 전력밀도 값은 측정시간 내에서 0.7~0.8W/m2의 값을 나태내는 것을 확인할 수 있었다. 흡수제인 KIERSOL에 대한 단위셀 기준 생성 에너지는 300kJ/ton KIERSOL로 나타났다.
도 6에서 확인할 수 있는 이온반응기를 통과한 담수의 pH값은 통과전에 pH 8.0에서 pH 7.2로 낮아졌으며, 흡수제인 KIERSOL은 통과전 pH 7.9에서 pH 8.4로 높아진 것을 확인할 수 있어 이온 교환막을 통해 HCO3 -와 H+ 이온이 전달되어 흡수액은 재생되어 염기성으로 유동액은 재생하여 산성으로 변화된 것을 나타낸다.
도 7을 검토하면 전기생산이 가능한 이산화탄소 포집장치의 실험결과를 확인할 수 있다. 실험조건은 Fumatech사의 선택적 이온교환막(0.0071m2), 그래파이트 전극, 5개 스텍, 스페이서(0.2mm), 염수(10mL/min), 담수(5mL/min), 전해액(10mL/min) 조건으로 실험을 수행하였다.
KIERSOL용액의 경우 전압은 0.3~0.4 V를 나타내었고, 전력밀도 값은 0.3~0.4 W/m2으로 측정되었다. KIERSOL용액에 이산화탄소가 흡수된 경우는 0.5 V의 전압을 나타내었고, 전력밀도는 0.7~0.8 W/m2으로 측정되었다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않은 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있다.
1: 흡수탑 1a: 충전물
2: CO2 함유 배가스 유로 3: 흡수탑을 통과한 배가스 유로
4: CO2 흡수한 배가스 유로 5: 열교환기
6: 액체 수송 펌프 6a: 제1 액체 수송 펌프
6b: 제2 액체 수송 펌프 7:이온발전장치
7a: 양이온 교환막 7b: 음이온 교환막
7c: 양이온 전극 7d: 음이온 전극
7e: 흡수액 유로 7f: 양이온 유로
7g: 음이온 유로 8: 전류계
9a, 9b: 유동액 주입 유로 10:재생된 흡수액 유로
11a, 11b: 유동액 배출 유로

Claims (34)

  1. 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉 흡수시키는 흡수탑(1);
    유동액이 이동하는 양이온 유로(7f) 및 음이온 유로(7g); 상기 양이온 유로와 상기 음이온 유로 사이를 이동하는 이산화탄소가 흡수된 흡수액이 이동하는 흡수액 유로(7e); 를 포함하고 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액의 농도와 상기 유동액의 농도차에 의한 전위차에 의해서 전기를 발생시키는 이온발전장치(7);
    상기 흡수액 유로를 이동하여 이온발전장치를 통과한 재생 흡수액은 흡수탑으로 액체수송 펌프(6)에 의해 공급되는 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양이온 유로와 상기 흡수액 유로 사이에 형성된 양이온 교환막(7a)과 상기 음이온 유로와 상기 흡수액 유로 사이에 형성된 음이온 교환막(7b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 양이온 교환막과 이격되어 대향 배치된 양이온 전극(7c)과 상기 음이온 교환막과 이격되어 대향 배치된 음이온 전극(7d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡수제는 용질로서 아민류(Amines), 알칼리 금속 중탄산염(alkali metal bicarbonates), 탄산염(carbonates), 수산화물(hydroxides), 붕산염(borates), 인산염(phosphates), NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3로 이루어진 수용성 전해질군과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)으로 이루어진 유기성 전해질군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 용질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흡수제는 첨가제로서 부식방지제, 응집보조제, 산소억제제(antioxidants), 산소소거제(O2 scavenger), 소포제 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 흡수제는 용매로서 물의 존재 형태인 순수, 담수, 기수, 염수, 또는 알코올과 물의 혼합매로 이루어진 수계 용매군 또는 헥산으로 이루어진 지방족 탄화수소군 ; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸나프탈렌으로 이루어진 방향족 탄화수소군; 퀴놀린, 피리딘으로 이루어진 복소고리 화합물군 ; 아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논으로 이루어진 케톤군 ; 아세트산메틸, 아크릴산메틸로 이루어진 에스테르군; 디에틸렌트리아민, N,N-디메틸아미노프로필아민으로 이루어진 아민군; 디에틸에테르, 프로필렌옥사이드, 테트라히드로푸란(THF)으로 이루어진 에테르군 ; N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드로 이루어진 아미드군; 헥사메틸포스팔아미드, 디메틸술폭사이드로 이루어진 비프로톤성 극성 용매군; 으로 이루어진 유기계 용매군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  7. 제4항 또는 제6항에 있어서, 상기 흡수제는 용매가 40~95wt%, 용질은 5~60wt%인 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 첨가제는 1wt% 이하로 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 흡수액 유로에 공급되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 상기 양이온 유로 및 상기 음이온 유로에 공급되는 상기 유동액은 교번하여 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액이 각각 병렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액이 각각 직렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액이 각각 벌집(honeycomb)구조로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 흡수액 유로를 통해 공급되는 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액은 상기 기체 중에 이산화탄소를 흡수하거나 흡수하지 않은 흡수액인 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 이온발전장치에 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 상기 유동액은 대향류 또는 평행류로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 재생된 재생 흡수액이 통과하며 열교환 되는 열교환기(5);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 열교환기에 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수액은 제1 액체수송 펌프(6a)에 의해서 공급되고, 재생 흡수액은 제2 액체수송 펌프(6b)에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 흡수탑은 기체를 접속시키는 충전물(1a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집장치.
  18. 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 흡수탑에서 접촉 흡수시키는 기체 접촉단계;
    유동액이 이동하는 양이온 유로(7f) 및 음이온 유로(7g); 상기 양이온 유로와 상기 음이온 유로 사이를 이동하는 이산화탄소가 흡수된 흡수액이 이동하는 흡수액 유로(7e);를 포함하는 이온발전장치에서 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액의 농도와 상기 유동액의 농도차에 의한 전위차에 의해서 전기를 발생하는 단계;
    상기 흡수액 유로를 이동하여 이온발전장치를 통과한 재생 흡수액은 흡수탑으로 액체수송 펌프(6)에 의해 공급되는 폐루프를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 양이온 유로와 상기 흡수액 유로 사이에 형성된 양이온 교환막(7a)과 상기 음이온 유로와 상기 흡수액 유로 사이에 형성된 음이온 교환막(7b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 양이온 교환막과 이격되어 대향 배치된 양이온 전극(7c)과 상기 음이온 교환막과 이격되어 대향 배치된 음이온 전극(7d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 흡수제는 용질로서 아민류(Amines), 알칼리 금속 중탄산염(alkali metal bicarbonates), 탄산염(carbonates), 수산화물(hydroxides), 붕산염(borates), 인산염(phosphates), NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3로 이루어진 수용성 전해질군과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)으로 이루어진 유기성 전해질군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 용질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  22. 제18항에 있어서, 상기 흡수제는 첨가제로서 부식방지제, 응집보조제, 산소억제제(antioxidants), 산소소거제(O2 scavenger), 소포제 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  23. 제18항에 있어서, 상기 흡수제는 용매로서 물의 존재 형태인 순수, 담수, 기수, 염수, 또는 알코올과 물의 혼합매로 이루어진 수계 용매군 또는 헥산으로 이루어진 지방족 탄화수소군 ; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸나프탈렌으로 이루어진 방향족 탄화수소군; 퀴놀린, 피리딘으로 이루어진 복소고리 화합물군 ; 아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논으로 이루어진 케톤군 ; 아세트산메틸, 아크릴산메틸로 이루어진 에스테르군; 디에틸렌트리아민, N,N-디메틸아미노프로필아민으로 이루어진 아민군; 디에틸에테르, 프로필렌옥사이드, 테트라히드로푸란(THF)으로 이루어진 에테르군 ; N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드로 이루어진 아미드군; 헥사메틸포스팔아미드, 디메틸술폭사이드로 이루어진 비프로톤성 극성 용매군; 으로 이루어진 유기계 용매군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  24. 제21항 또는 제23항에 있어서, 상기 흡수제는 용매가 40~95wt%, 용질은 5~60wt%인 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 첨가제는 1wt% 이하로 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  26. 제18항에 있어서, 상기 흡수액 유로에 공급되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 상기 양이온 유로 및 상기 음이온 유로에 공급되는 상기 유동액은 교번하여 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  27. 제18항에 있어서, 상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액이 각각 병렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  28. 제18항에 있어서, 상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액이 각각 직렬로 공급되는 것을 특징으로 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  29. 제18항에 있어서, 상기 흡수액 유로와 유동액 유로는 2 이상의 유로쌍으로 형성될 수 있으며, 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 유동액이 각각 벌집(honeycomb)구조로 공급되는 것을 특징으로 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  30. 제18항에 있어서, 상기 흡수액 유로를 통해 공급되는 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액은 상기 기체 중에 이산화탄소를 흡수하거나 흡수하지 않은 흡수액인 것을 특징으로 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  31. 제18항에 있어서, 상기 이온발전장치에 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 상기 유동액은 대향류 또는 평행류로 공급되는 것을 특징으로 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  32. 제18항에 있어서, 상기 기체 접촉단계와 상기 전기를 발생하는 단계 사이에 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수액과 재생된 재생 흡수액이 열교환기를 통과하며 열교환되는 단계; 더 포함하는 것을 특징으로 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 열교환기에 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수액은 제1 액체수송 펌프(6a)에 의해서 공급되고, 재생 흡수액은 제2 액체수송 펌프(6b)에 의해 공급되는 것을 특징으로 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
  34. 제18항에 있어서, 상기 흡수탑은 기체를 접속시키는 충전물(1a)을 포함하는 것을 특징으로 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집방법.
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