KR101670961B1 - 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법 - Google Patents

알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법은, 배가스가 60℃ 이하가 되도록, 제1 냉각수가 구비된 냉각 챔버에 유입시켜 1차 냉각시키는 단계와, 분기부를 이용하여 1차 냉각된 배가스 중 일부를 기설정된 용해 조건을 만족하는 범위까지 제2 냉각수가 수용된 탱크로 이동시키고, 나머지 배가스는 저장부에 저장 후 상기 용해 조건을 만족할 때 상기 탱크로 이동시키는 2차 냉각 및 용해시키는 단계와, 상기 배가스가 용해된 용해수가 전환챔버로 유입되면, 상기 전환챔버 내부에 충전된 광촉매부에 빛을 조사하여 상기 용해수에 용해된 이산화탄소를 메탄올로 전환시키는 단계와, 메탄올이 포함된 전환액이 처리부로 유입되면, 필터부를 이용하여 상기 전환액에 포함된 광촉매를 회수하고, 상기 전환액을 증류 및 냉각시켜 메탄올을 회수하는 단계 및 상기 메탄올이 회수된 상기 전환액을 활성탄이 포함된 제거부를 통해 정재시킨 후 상기 탱크로 재유입시키는 단계를 포함하고, 상기 저장부는 상기 제1 냉각수에 의해 잠기도록 배치된다.

Description

알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법{Carbon dioxide capture method using a Alcohol converting system}
본 발명의 일실시예들은 이산화탄소를 알코올로 전환하는 시스템을 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 현 문명 세계를 유지하는 온실 역할을 수행하여 왔다. 그러나 인구 증가와 산업발전에 따른 에너지 소비의 급증은 유례없는 이산화탄소의 증가를 가져와 대기 중 이산화탄소 농도가 400 ppm를 넘어설 것으로 보고 있다. 이는 지구온난화 현상을 가져와 빙하 감소와 해수면 증가, 그리고 폭우 또는 가뭄 등 다양한 대형 자연재해가 일어나고 있으며 이는 평형점을 찾기 위한 현상으로 보고 있다. 그러나 임계점을 넘어서는 현상이 일어나면 다시 되돌리기는 불가능한 상황이 될것이다. 이는 북극 빙하의 감소는 점차 가속되어가고 있는 것으로 확인할 수 있다.
유럽 연합 등 세계는 이산화탄소 농도를 500 ppm에서 안정시키고자 노력하고 있다. 이산화탄소를 저감하는 방법으로 에너지 효율화, 대체 에너지 개발 등 다방면의 노력을 경주하여 왔으나 이산화탄소의 증가는 계속되고 있다. 이는 신흥국의 발전과 인구의 증가에 따라서 에너지의 소비는 계속 증가되고 있기 때문이다. 에너지 소비 증가에 따라서 화석 연료의 사용은 향후 몇 십 년 아닌 그 이상 사용될 것으로 보이고 있다.
이는 태양전지, 풍력 등 신재생에너지로 화석 연료를 대체 할 수 없기 때문이다. 이는 이들 신재생에너지가 에너지 삼화음(三和音, 밀도, 저장, 이송) 측면에서 기존 화석 연료를 대체할 수 없기 때문이다. 따라서 발생되는 이산화탄소에 대한 사후 처리 기술이 필요로 하고 있으나 효과적인 방법이 제시되지 못하고 있다. 많은 환경론자들의 문제제기에도 불구하고 저장 기술이 가장 현실적인 사후기술로 보아 이들 처리 기술의 청정개발체제(clean development mechanism, CDM)사업을 인정하기에 이르고 있으나 저장 장소 제한 및 선정에 어려움이 있을 것으로 예견되고 있다. 탄소의 처리 기술은 자연계 이산화탄소 순환을 통해 탄소 사이클을 통하여 탄소(이산화탄소)를 처리하는 것이 보다 효과적이라 생각한다.
국제 기후 변화 협약 가입에 따른 온실가스 저감 목표 할당제와 이에 따른 벌금 등 강제적인 요소가 도입되면서 최근 들어 전 세계적으로 녹색기술 산업에 대한 관심이 고조되고 이를 실현하기 위한 연구개발이 활발히 수행되고 있다. 지금까지 산업공정에서 대량 배출되는 대표적 온실가스인 이산화탄소를 모아 폐기물처럼 지하나 해저에 매립/저장하는 CCS에 주로 초점을 맞추어 연구가 진행되어 왔으나, 최근 들어 이 이산화탄소를 자원화하는 CCU 기술과 관련한 연구가 새로운 관심을 받고 있다.
CCU 기술은 이산화탄소를 단순히 버려지는 물질이 아닌 유용한 자원으로 활용하여 부가가치가 높은 다른 탄소화합물(value-added chemicals)로 전환하는 연구로써, 온실가스의 감축을 통해 환경 문제를 해결함과 동시에, 대기 중에 풍부하게 존재하는 이산화탄소를 탄소원으로 사용하고 또한 사용 후에는 다시 이산화탄소의 형태로 대기 중으로 배출되므로 지속가능한 탄소원의 재활용이란 측면에서도 그 의미를 찾을 수 있다. 아울러 전환 후 고부가가치 탄소화합물의 생성에 따른 추가적인 이익까지도 기대할 수 있기 때문에 그 가능성이 서서히 인정되고 있는 추세이다.
따라서, 이산화탄소를 포집할 뿐만 아니라 이를 재활용하여 연료 등으로 사용할 수 있는 보다 효율적인 이산화탄소 포집 및 재활용 기술(Carbon capture and utilization)이 고려될 수 있다.
한국공개특허 제2015-0010914호 (2015.01.29)
본 발명의 목적은 기존과는 다른 방법으로 이산화탄소를 포집할 수 있는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법은, 배가스가 60℃ 이하가 되도록, 제1 냉각수가 구비된 냉각 챔버에 유입시켜 1차 냉각시키는 단계와, 분기부를 이용하여 1차 냉각된 배가스 중 일부를 기설정된 용해 조건을 만족하는 범위까지 제2 냉각수가 수용된 탱크로 이동시키고, 나머지 배가스는 저장부에 저장 후 상기 용해 조건을 만족할 때 상기 탱크로 이동시키는 2차 냉각 및 용해시키는 단계와, 상기 배가스가 용해된 용해수가 전환챔버로 유입되면, 상기 전환챔버 내부에 충전된 광촉매부에 빛을 조사하여 상기 용해수에 용해된 이산화탄소를 메탄올로 전환시키는 단계와, 메탄올이 포함된 전환액이 처리부로 유입되면, 필터부를 이용하여 상기 전환액에 포함된 광촉매를 회수하고, 상기 전환액을 증류 및 냉각시켜 메탄올을 회수하는 단계 및 상기 메탄올이 회수된 상기 전환액을 활성탄이 포함된 제거부를 통해 정재시킨 후 상기 탱크로 재유입시키는 단계를 포함하고, 상기 저장부는 상기 제1 냉각수에 의해 잠기도록 배치된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 용해조건은 1.5MPa 내지 3.5MPa의 압력과 2 ~ 5℃의 온도가 될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제2 냉각수는 수산화나트륨을 더 포함하고, 상기 전환시키는 단계에서 유입되는 상기 용해수에 프로판올(propanol), Na2S 및 Na2SO3로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상을 포함시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 광촉매부는 CUO, 활성탄 및 TiO2 를 기설정된 비율로 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 회수된 전환액을 상기 냉각 챔버에 재유입시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법은 배가스로부터 나오는 이산화탄소를 알코올로 전환시켜 에너지를 재활용할 수 있다.
또한, 이산화탄소의 흡수율이 높아, 화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 연도가스에 함유된 이산화탄소를 포집하는 공정에 널리 이용될 수 있으며, 환경보호에 이바지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 알코올 전환시스템을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광촉매 반응과정을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 메탄올 생성과정을 도시한 도면.
이하, 본 발명에 관련된 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 알코올 전환시스템(100)을 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 알코올 전환시스템(100)은 전처리부(120), 냉각챔버(130), 탱크(140), 전환챔버(150), 처리부(160), 메탄올 저장부(170) 및 제거부(180)를 포함한다.
전처리부(120)는 배출원(110)으로부터 연소 후에 나오는 배가스에서 질산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 제거한다. 배가스는 CO2 외에 1차 미세먼지와 2차 미세먼지가 혼합되어 있는데, 이러한 미세먼지들은 1차 냉각 및 2차 냉각이 수행되는 냉각 챔버와 탱크(140)에서 제거된다. 여기서 배가스는 화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 연도가스가 될 수 있다.
전처리부(120)를 통해 질산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 제거된 배가스는 냉각챔버(130)로 이동한다. 냉각챔버(130)는 제1 냉각수를 이용하여 내부의 온도를 일정 수준 이하로 유지한다. 냉각챔버(130)는 배가스를 60℃ 이하가 되도록 하는데, 배가스 중 이산화탄소는 이 과정에서 거의 용해되지 않는다.
냉각챔버(130)로부터 냉각된 배가스는 분기부(131)를 통해서 각각 탱크(140)와 저장부(141)로 이동한다. 탱크(140)에 먼저 배가스가 유입되는데, 배가스의 유입으로 인하여 용해 조건을 만족하지 못하면 배가스가 탱크(140)로 유입되는 것이 차단되고, 저장부(141)에 배가스가 저장된다. 저장부(141)는 배가스로부터 미세먼지를 제거하기 위하여 필터를 구비한다. 또한, 저장부(141)는 냉각챔버(130)의 제1 냉각수에 의해 잠기도록 배치된다. 이로 인해, 저장부(141)에 저장되는 배가스의 온도를 좀 더 낮출 수 있다. 즉, 배가스가 저장부(141)에 저장됨으로써, 저장부(141)에서 탱크(140)로 배가스가 유입될 때, 용해조건을 넘지 않는 범위에서 탱크(140)로 유입되는 배가스의 양을 증가시킬 수 있다.
분기부(131)는 일 예로, 3-Way valve를 포함하여 형성될 수 있으며, 탱크(140) 내부의 용해조건을 감지하여 각각 배가스의 이동통로가 개폐될 수 있다.
탱크(140)는 제2 냉각수를 이용하여 배가스를 냉각시켜 이산화탄소를 용해시킨다. 이 때, 용해조건은 1.5MPa 내지 3.5MPa의 압력과 2 ~ 5℃의 온도이다. 탱크(140)는 상기 용해조건을 만족하도록 형성된다. 배가스의 유입으로 인해, 상기 용해조건 중 어느 하나를 벗어나면 배가스의 유입이 차단된다. 상기 조건에서 이산화탄소의 용해율은 약 70%에 이른다.
이보다 높은 온도에서는 이산화탄소의 용해효율이 급격히 하락한다. 즉, 탱크(140) 내부의 온도가 5 ~ 7℃ 일 때, 이산화탄소의 용해율은 65% 이하이다. 또한, 이보다 낮은 온도에서는 소요전력이 높아 효율이 떨어진다. 그리고, -1℃에서 이산화탄소의 용해율은 70.35% 에 불과하다.
또한, 3.5MPa 이상의 압력을 갖도록 탱크(140)를 설계하는 경우에는 탱크(140)에 제조 및 유지에 많은 비용이 소요되며, 압력이 높더라도 이산화탄소의 용해율이 크게 상승하지는 않는다. 즉, 3.6MPa의 압력이더라도 동일한 온도 조건에서 이산화탄소의 용해율은 70.2%에 불과하다. 또한, 1.5MPa 보다 낮은 1.4MPa 에서 이산화탄소의 용해율은 67%로서 현저히 하락한다.
제2 냉각수에 수산화나트륨을 첨가하면 이산화탄소의 메탄올 전환 효율이 보다 상승되었다. 수산화나트륨이 첨가되면 이산화탄소의 용해도가 증가되고, 첨가된 OH-가 전자공여체로 사용되어 전자-정공의 재결합 반응을 늦추기 때문이다.
배가스가 용해된 용해수는 전환챔버(150)로 유입된다. 전환챔버(150) 내부에는 광촉매부(151)가 충전되어 있다. 광촉매부(151)에 조명수단(152)을 이용하여 빛을 조사하면 용해수에 용해된 이산화탄소가 메탄올로 전환된다. 이 때, 조명수단은 가시광선을 발광하거나 자외선을 발광할 수 있다.
광촉매부(151)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 일 예로, 금속 또는 금속산화물을 조촉매로 하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 활성탄, 이산화티탄 및 산화구리를 포함시킨 상태에서 수열합성법, 졸-겔 법, 마이크로웨이브법, 초음파법등을 이용하여 복합체 형태로 제조할 수 있다.
즉, 광촉매는 TiO2, 활성탄-TiO2, 그래핀-TiO2 , CuO-활성탄-TiO2 , WO3-활성탄-TiO2 등이 사용될 수 있다. 이중에서 알코올 생성 효율(Vo/Vol)은 각각 1.5 이하, 1.5~2.7, 2.5~3.0, 4.0~4.5, 3.5~4.2로서, CuO-활성탄-TiO2를 광촉매로 사용하는 경우가 가장 생성효율이 높다. CuO 와 WO3 가 도핑된 TiO2 은 이산화탄소의 메탄올로의 전환효율을 상승시킨다. 또한 활성탄과 TiO2 가 결합되면 TiO2 만 사용하는 것보다 이산화탄소의 환원 효율을 상승시킨다.
전환챔버(150)로 유입되는 용해수에 알콜계 전자공여체를 첨가할 수 있다. 일 예로, 프로판올(propanol)을 추가하면 빠른 물의 산화반응을 유도하여 이산화탄소의 환원 효율을 보다 상승시킬 수 있다. 또한, Na2S, Na2SO3로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상을 포함하여, 희생제(sacrificial agent)로 사용하거나, 스캐빈저(Scavenger)로 사용할 수있다.
전환이 이루어지게 되면, 메탄올은 기체 또는 액체 상태로 존재하게 된다. 전환액에 메탄올이 일부 포함되므로, 전환액과 전환가스를 처리부(160)로 이동시킨다. 처리부(160)는 필터부(161), 증류 및 냉각부(162)를 구비하는데, 필터부(161)를 이용하여 전환액에 포함된 광촉매를 회수한다. 그리고 증류 및 냉각부(162)를 이용하여 전환액에서 메탄올을 회수한다.
메탄올이 회수된 전환액은 활성탄을 구비하여 형성된 제거부(180)를 통해 정재시키게 된다. 정재된 전환액은 탱크(140)에 다시 유입된다.
이상, 알코올 전환시스템에서 메탄올에 대하여 상술하였으나, 알코올 전환시 에탄올이 생서되기도 하고, 전환챔버에서 기설정된 전환시간을 초과하는 경우 메탄올 중 일부가 에탄올로 변환되기도 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 알코올 전환시스템(100)을 이용한 이산화탄소 포집방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 알코올 전환시스템(100)을 이용한 이산화탄소 포집방법은 1차 냉각단계, 2차 냉각 및 용해단계, 메탄올 전환단계, 메탄올 회수단계 및 탱크(140) 재유입단계를 포함한다.
1차 냉각단계
1차 냉각단계에서는 전처리부(120)에서 유입되는 배가스를 60℃ 이하가 되도록 냉각시킨다. 전처리부(120)는 배출원으로부터 연소 후에 나오는 배가스에서 질산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 제거한다. 배가스는 CO2 외에 1차 미세먼지와 2차 미세먼지가 혼합되어 있는데, 이러한 미세먼지들은 1차 냉각 및 2차 냉각이 수행되는 냉각 챔버와 탱크(140)에서 제거된다. 전처리부(120)를 통해 질산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 제거된 배가스는 냉각챔버(130)로 이동한다. 냉각챔버(130)는 제1 냉각수를 이용하여 내부의 온도를 일정 수준 이하로 유지한다. 냉각챔버(130)는 배가스를 60℃ 이하가 되도록 하는데, 배가스 중 이산화탄소는 이 과정에서 거의 용해되지 않는다.
이와 같이, 1차 냉각단계에서는 배가스가 60℃ 이하가 되도록, 제1 냉각수가 구비된 냉각 챔버에 유입시켜 1차 냉각시킨다.
2차 냉각 및 용해단계
2차 냉각 및 용해단계에서는 배가스를 기설정된 온도 이하로 냉각시켜 이산화탄소를 용해수에 용해시킨다. 즉, 분기부를 이용하여 1차 냉각된 배가스 중 일부를 기설정된 용해 조건을 만족하는 범위까지 제2 냉각수가 수용된 탱크(140)로 이동시키고, 나머지 배가스는 저장부(141)에 저장 후 상기 용해 조건을 만족할 때 상기 탱크(140)로 이동시킨다.
보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
냉각챔버(130)로부터 냉각된 배가스는 분기부(131)를 통해서 각각 탱크(140)와 저장부(141)로 이동한다. 탱크(140)에 먼저 배가스가 유입되는데, 배가스의 유입으로 인하여 용해 조건을 만족하지 못하면 배가스가 탱크(140)로 유입되는 것이 차단되고, 저장부(141)에 배가스가 저장된다. 저장부(141)는 배가스로부터 미세먼지를 제거하기 위하여 필터를 구비한다. 또한, 저장부(141)는 냉각챔버(130)의 제1 냉각수에 의해 잠기도록 배치된다. 이로 인해, 저장부(141)에 저장되는 배가스의 온도를 좀 더 낮출 수 있다. 즉, 배가스가 저장부(141)에 저장됨으로써, 저장부(141)에서 탱크(140)로 배가스가 유입될 때, 용해조건을 넘지 않는 범위에서 탱크(140)로 유입되는 배가스의 양을 증가시킬 수 있다.
탱크(140)는 제2 냉각수를 이용하여 배가스를 냉각시켜 이산화탄소를 용해시킨다. 이 때, 용해조건은 1.5MPa 내지 3.5MPa의 압력과 2 ~ 5℃의 온도이다. 탱크(140)는 상기 용해조건을 만족하도록 형성된다. 배가스의 유입으로 인해, 상기 용해조건 중 어느 하나를 벗어나면 배가스의 유입이 차단된다. 상기 조건에서 이산화탄소의 용해율은 약 70%에 이른다.
이보다 높은 온도에서는 이산화탄소의 용해효율이 급격히 하락한다. 즉, 탱크(140) 내부의 온도가 3 ~ 5℃ 일 때, 이산화탄소의 용해율은 65% 이하이다. 또한, 이보다 낮은 온도에서는 소요전력이 높아 효율이 떨어진다. 그리고, - 1℃에서 이산화탄소의 용해율은 70.35% 에 불과하다.
또한, 3.5MPa 이상의 압력을 갖도록 탱크(140)를 설계하는 경우에는 탱크(140)에 제조 및 유지에 많은 비용이 소요되며, 압력이 높더라도 이산화탄소의 용해율이 크게 상승하지는 않는다. 즉, 3.6MPa의 압력이더라도 동일한 온도 조건에서 이산화탄소의 용해율은 70.2%에 불과하다. 또한, 1.5MPa 보다 낮은 1.4MPa 에서 이산화탄소의 용해율은 67%로서 현저히 하락한다.
제2 냉각수에 수산화나트륨을 첨가하면 이산화탄소의 메탄올 전환 효율이 보다 상승되었다. 수산화나트륨이 첨가되면 이산화탄소의 용해도가 증가되고, 첨가된 OH-가 전자공여체로 사용되어 전자-정공의 재결합 반응을 늦추기 때문이다.
메탄올 전환단계
메탄올 전환단계에서는 상기 배가스가 용해된 용해수가 전환챔버(150)로 유입되면, 상기 전환챔버(150) 내부에 충전된 광촉매부(151)에 빛을 조사하여 상기 용해수에 용해된 이산화탄소를 메탄올로 전환시키게 된다.
이 때, 광촉매는 TiO2, 활성탄-TiO2, 그래핀-TiO2 , CuO-활성탄-TiO2 , WO3-활성탄-TiO2 등이 사용될 수 있다. 이중에서 알코올 생성 효율(Vo/Vol)은 각각 1.5 이하, 1.5~2.7, 2.5~3.0, 4.0~4.5, 3.5~4.2로서, CuO-활성탄-TiO2를 광촉매로 사용하는 경우가 가장 생성효율이 높다. CuO 와 WO3 가 도핑된 TiO2 은 이산화탄소의 메탄올로의 전환효율을 상승시킨다. 또한 활성탄과 TiO2 가 결합되면 TiO2 만 사용하는 것보다 이산화탄소의 환원 효율을 상승시킨다.
전환챔버(150)로 유입되는 용해수에 알콜계 전자공여체를 첨가할 수 있다. 일 예로, 프로판올(propanol)을 추가하면 빠른 물의 산화반응을 유도하여 이산화탄소의 환원 효율을 보다 상승시킬 수 있다.
메탄올 회수단계
메탄올 회수단계에서는 메탄올이 포함된 전환액이 처리부(160)로 유입되면, 필터부를 이용하여 상기 전환액에 포함된 광촉매를 회수하고, 상기 전환액을 증류 및 냉각시켜 메탄올을 회수하게 된다. 메탄올의 전환이 이루어지게 되면 , 메탄올은 기체 또는 액체 상태로 존재하게 된다. 전환액에 메탄올이 일부 포함되므로, 전환액과 전환가스를 처리부(160)로 이동시킨다. 처리부(160)는 필터부, 증류 및 냉각부를 구비하는데, 필터부를 이용하여 전환액에 포함된 광촉매를 회수한다. 그리고 증류 및 냉각부를 이용하여 전환액에서 메탄올을 회수한다. 회수된 메탄올은 메탄올 회수탱크(140)(170)에 저장된다.
탱크재유입단계
탱크 재유입단계에서는 상기 메탄올이 회수된 상기 전환액을 활성탄이 포함된 제거부(180)를 통해 정재시킨 후 상기 탱크(140)로 재유입시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 전환챔버(150) 내에서의 광촉매 반응과정을 도시한 도면이다.
광촉매는 광에너지를 이용하여 촉매로서 기능하는 물질로서, 그 반응 기작을 살펴보면 아래와 같다.
즉, 광촉매는 각 띠 사이에 에너지 간격을 가지는 공유띠와 전도띠를 포함하는데, 광촉매가 이러한 띠간격을 극복할 수 있는 충분한 광에너지를 흡수하게 되면, 공유띠에서 전도띠로 전자가 여기하고, 그에 따라 공유띠에는 전자가 비어있는 상태인 정공이 발생하게 된다.
이렇게 광촉매에 전자와 정공이 생성되면, 그에 따라 수소발생 및 여러 가지 유기물의 산화와 같은 광촉매 반응들을 유발하게 되며, 이산화티탄(TiO2)은 이러한 광촉매 중에서 가장 널리 쓰이는 물질이다.
티타늄을 공기 중에 노출시키면 쉽게 산소와 반응하여 산화되어, 피막형태의 이산화티탄(TiO2)이 형성되며, 이산화티탄의 성질은 광촉매로 쓰이기에는 더없이 좋은 조건을 보유하고 있다.
티타늄을 공기 중에 노출시키면 쉽게 산소와 반응하여 산화되어, 피막형태의 이산화티탄(TiO2)이 형성되며, 이산화티탄의 성질은 광촉매로 쓰이기에는 더없이 좋은 조건을 보유하고 있다.
즉 빛을 흡수하여 다른 물질들은 산화시키는 산화력이 매우 크며, 음폐력이 커서 산이나 염기 혹은 수용액 등 거의 모든 용매에 녹지 않는다.
또한 생물학적인 반응을 하지 않아 환경 및 인체에 무해하며, 특히 매우 안정한 물질이다.
다만, 이러한 광촉매로 널리 쓰이는 이산화티탄의 띠간격은 3.0~3.2 eV이므로 이 띠간격을 극복하기 위해서는 388nm보다 짧은 자외선(u.v: ultraviolet wave)영역의 빛이 필요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 전환챔버(150) 내에서의 메탄올 생성과정을 도시한 도면이다.
전환챔버(150)에 충전된 전이금속이 도핑된 이산화티탄 광촉매가 조명수단(152)에서 조사된 빛과 배기가스 중의 H2O(물)와 반응하면 반응식 1과 같이 O2(산소)와 4H+(수소)라디칼, 4e-(정공)을 발생시킨다.
2H2O → O2(g) + 4H(aq.) + 4e- ... [반응식 1]
CO2(aq.) + e- → CO2-(aq.) ... [반응식 2]
또한. 반응식 2와 같이 배가스 중의 CO2(이산화탄소)는 반응식 1에서 발생된 e-(정공)과 반응하여 CO2-를 발생시킨다.
CO2 + 2H2O → CH3OH + 3/2O2 ... [반응식 3]
또한, 상기 반응식 1에서 생성된 4H+(수소)라디칼과 반응식 2에서 생성된 CO2 -(이산화탄소 정공)이 촉매반응으로 작용되어 CH3OH(메탄올)과 3/3/2O2(산소)가 생성되는 과정으로 반응된다.
상기 전환챔버(150)의 내부에서 생성된 메탄올은 기체 또는 상태로 존재하며, 배출파이프를 통해 처리부(160) 쪽으로 배출된다. 메탄올은 배출파이프의 선단에 설치된 처리부(160)에 의해 증류 및 냉각되고, 메탄올 저장부(170)에 저장된다.
상기와 같이 설명된 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (5)

  1. 배가스가 60℃ 이하가 되도록, 제1 냉각수가 구비된 냉각 챔버에 유입시켜 1차 냉각시키는 단계;
    분기부를 이용하여 1차 냉각된 배가스 중 일부를 기설정된 용해 조건을 만족하는 범위까지 제2 냉각수가 수용된 탱크로 이동시키고, 나머지 배가스는 저장부에 저장 후 상기 용해 조건을 만족할 때 상기 탱크로 이동시키는 2차 냉각 및 용해시키는 단계;
    상기 배가스가 용해된 용해수가 전환챔버로 유입되면, 상기 전환챔버 내부에 충전된 광촉매부에 빛을 조사하여 상기 용해수에 용해된 이산화탄소를 메탄올로 전환시키는 단계;
    메탄올이 포함된 전환액이 처리부로 유입되면, 필터부를 이용하여 상기 전환액에 포함된 광촉매를 회수하고, 상기 전환액을 증류 및 냉각시켜 메탄올을 회수하는 단계; 및
    상기 메탄올이 회수된 상기 전환액을 활성탄이 포함된 제거부를 통해 정재시킨 후 상기 탱크로 재유입시키는 단계를 포함하고,
    상기 저장부는 상기 제1 냉각수에 의해 잠기도록 배치되는 것을 특징으로 하는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용해 조건은 1.5MPa 내지 3.5MPa의 압력과 2 ~ 5℃의 온도인 것을 특징으로 하는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 냉각수는 수산화나트륨을 더 포함하고,
    상기 전환시키는 단계에서 유입되는 상기 용해수에 프로판올(propanol), Na2S 및 Na2SO3로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상을 포함시키는 것을 특징으로 하는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매부는 CUO, 활성탄 및 TiO2 를 기설정된 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회수된 전환액을 상기 냉각 챔버에 재유입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알코올 전환시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법.
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